DE69224583T2

DE69224583T2 - Trägermaterial für Flüssigkeitsaufzeichnungskopf, Herstellungsverfahren dafür, Flüssigkeitsaufzeichnungskopf und Flüssigkeitsaufzeichnungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69224583T2
Application number: DE69224583T
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Komuro; Makoto Shibata; Haruhiko Terai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2012-10-16
Also published as: JPH0655737A; EP0539804A2; DE69224583D1; US6149986A; EP0539804A3; EP0539804B1; JP3231096B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zur Durchführung einer Aufzeichnung, bei der die Aufzeichnungsflüssigkeit unter Verwendung von thermischer Energie von den Abgabeöffnungen des Kopfes ausgestoßen wird, ein Herstellverfahren hierfür und einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf sowie eine Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung unter Verwendung eines derartigen Substrates. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, wobei ein Trägerelement und jede Schicht verbessert worden sind, ein Herstellverfahren hierfür, einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf und eine Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung.
Das Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren, bei dem Aufzeichnungen unter Verwendung von thermischer Energie, um Tinte oder andere Flüssigkeitströpfchen auszustoßen und auf ein Aufzeichnungsmedium (in den meisten Fällen Papier) fliegen zu lassen, stellt ein aufprallfreies Aufzeichnungsverfahren dar. Es hat daher u.a. die Vorteile, daß beim Betrieb eine geringere Geräuschentwicklung auftritt, daß direkte Aufzeichnungen auf Normalpapier möglich sind und daß Farbbildaufzeichnungen unter Verwendung von Tinte mehrerer Farben mit Leichtigkeit durchgeführt werden können. Des weiteren kann die Aufzeichnungsvorrichtung einen einfachen Aufbau besitzen, so daß es einfacher wird, Mehrfachdüsen mit hoher Genauigkeit herzustellen. Es ist somit mit dieser Art von Aufzeichnungsvorrichtung möglich, mit Einfachheit Aufzeichnungen mit einer hohen Auflösung mit hohen Geschwindigkeiten zu erzielen. In neuerer Zeit sind daher Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtungen rasch in großem Umfang in Gebrauch genommen worden.
Figur 9A ist eine perspektivische Teilansicht des Hauptteiles eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes, der für dieses Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren Verwendung findet. Ein derartiger Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf ist beispielsweise in der EP-A-0 289 139 beschrieben. Figur 9B ist eine Vertikalschnittansicht des Hauptteiles dieses Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes entlang einer Ebene parallel zu einem Flüssigkeitskanal. Wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt ist, besitzt dieser Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf allgemein eine Reihe von feinen Abgabeöffnungen 9 zum Ausstol3en von Tinte oder einer anderen Flüssigkeit zur Aufzeichnung, Kanäle 6, die für jede Abgabeöffnung 7 vorgesehen und leitend mit jeder Abgabeöffnung 7 in Verbindung stehen, eine Flüssigkeitskammer 10, die gemeinsam für jeden Flüssigkeitskanal 6 vorgesehen ist, um die Aufzeichnungsflüssigkeit für die entsprechenden Kanäle 6 zuzuführen, einen Flüssigkeitseinlaß 9, der am Deckabschnitt der Flüssigkeitskammer 10 angeordnet ist, um Flüssigkeit der Flüssigkeitskammer 10 zuzuführen, und ein Substrat 8 füt den Flüssigkeitsaufzeichnungskopf mit exothermen Widerstandselementen 2a für jeden Flüssigkeitskanal 6, um die Aufzeichnungsflüssigkeit mit thermischer Energie zu beauf schlagen. Die Flüssigkeitskanäle 6, die Abgabeöffnungen 7, der Flüssigkeitseinlaß 9 und die Flüssigkeitskammer sind einstückig mit der Deckplatte 5 ausgebildet.
Wie in Figur 9B gezeigt, besitzt das Substrat 8 für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf einen solchen Aufbau, daß auf seinem Trägerelement 1 eine exotherme Widerstandsschicht 2 aus einem Material mit einem Volumenwiderstand einer bestimmten Amplitude und dann auf der exothermen Widerstandsschicht 2 eine Elektrodenschicht 3 aus einem Material mit einer wünschenswerten elektrischen Leitfähigkeit laminiert sind. Die Elektrodenschicht 3 besitzt die gleiche Konfiguration wie die exotherme Widerstandsschicht 2, besitzt jedoch einen teilweise entfernten Abschnitt, in dem die exotherme Widerstandsschicht 2 freiliegt. Dieser Abschnitt wird zu einem exothermen Widerstandselement 2a, d.h. dem Abschnitt, in dem Wärme erzeugt wird. Die Elektrodenschicht 3 hat zwei Elektroden 3a und 3b mit dem dazwischen angeordneten exothermen Widerstandselement 2a. An diese Elektroden 3a ünd 3b wird eine Spannung gelegt, um das Fließen eines elektrischen Stromes im exothermen Widerstandselement 2a zur Wärmeerzeugung zu bewirken. Das exotherme Widerstandselement 2a ist so auf dem Substrat 8 ausgebildet, daß der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf am Boden eines jeden Flüssigkeitskanales 6 entsprechend der Deckplatte 5 angeordnet werden kann. Des weiteren ist auf dem Substrat 8 für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf eine Schutzschicht 4 vorgesehen, um die Elektroden 3a und 3b und die exothermen Widerstandselemente 2a abzudecken. Diese Schutzschicht 4 dient zum Schützen der exothermen Widerstandselemente 2a und Elektroden 3a und 3b gegenüber elektrolytischer Korrosion und einem Brechen der elektrischen Isolierung infolge eines Kontaktes mit der Aufzeichnungsflüssigkeit oder des Eindringens der Aufzeichnungsflüssigkeit. Es ist allgemeine Praxis, die Schutzschicht 4 unter Verwendung von SiO2 auszubilden. Des weiteren ist auf der Schutzschicht 4 eine Antikavitationsschicht (nicht gezeigt) vorgesehen. Als Herstellverfahren für die Schutzschicht 4 finden diverse Vakuumfilmerzeugungsver fahren Verwendung, wie beispielsweise Plasma-CVD, Sputtern oder Sputtern mit Vorspannung.
Als Trägerelement 1 für das Substrat 8 des Flüssigkeitsaufzeichnungskopfes findet eine Siliciumplatte aus den nachfolgend aufgeführten Gründen am häufigsten Verwendung, abwohl es möglich ist, auch eine Platte aus Glas oder Keramik o.ä. einzusetzen.
Wenn eine Glasplatte als Trägerelement 1 zur Herstellung eines Flüssigkeitsaufzeichnungskopfes verwendet wird, neigt Wärmeenergie dazu, sich im Trägerelement 1 anzusammeln, wenn die Antriebsfrequenz des exothermen Widerstandselementes 2a erhöht wird, da Glas eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das hat zur Folge, daß die Aufzeichnungs flüssigkeit im Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unbeabsichtigt erhitzt wird und Blasen entstehen, was oft zu einem unerwünschten Ausstoß der Aufzeichnungsflüssigkeit und zu anderen Mängeln führt.
Wenn andererseits Keramik für das Trägerelement 1 verwendet wird, findet hauptsächlich Aluminiumoxid Anwendung, da es in einer vergleichsweise großen Größe hergestellt werden kann und eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die besser als die von Glas ist. Im Falle von Keramik ist es allgemeine Praxis, das pulverisierte Material zu sintern, um dadurch das Trägerelement 1 herzustellen. Dies führt jedoch oft zu feinen Löchern oder kleinen Vorsprüngen von einigen um bis einigen 10 um oder zu anderen Oberflächenfehlern. Durch derartige Oberflächenfehler können Kurzschlüsse und Fehlschaltungen der Verdrahtungen sowie andere Probleme auftreten, die zu einer Reduzierung der Ausbeute führen. Die oberflächenrauhigkeit beträgt üblicherweise Ra (durchschnittliche Rauhigkeit entlang der Mittellinie) etwa 0,15 um. Es gibt somit viele Fälle, bei denen es schwierig ist, die für die Filmerzeugung der exothermen Widerstandsschicht 2 u.a. mit einer gewünschten Haltbarkeit am besten geeignete Oberflächenrauhigkeit zu erhalten. Wenn beispielsweise Aluminiumoxid für die Herstellung des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes verwendet wird, kann ein Abblättern der exothermen Widerstandsschicht 2 vom Substrat 8 für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf u.a. auftreten, wodurch die nutzbare Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes verkürzt wird.
Es gibt ein Verfahren zum Verbessern des Kontaktvermögens der exothermen Widerstandsschicht 2 durch Glätten der Rauhigkeit der Oberfläche des Trägerelementes 1 über eine Polierbearbeitung. Da jedoch die Härte von Aluminiumoxid groß ist, gibt es automatisch eine Grenze für die Einstellung der Oberflächenrauhigkeit für den jeweiligen Anwendungszweck. Um hier entgegenzuwirken, kann man eine glasierte Schicht (eine verschweißte Glasschicht) für die Oberfläche eines Trägerelementes aus Aluminiumoxid vorsehen, um ein glasiertes Aluminiumoxidträgerelement herzustellen und somit das Problem der Oberflächenfehler und Oberflächenrauhigkeit, das auf die feinen Löcher oder kleinen Vorsprünge zurückzuführen ist, durch Anordnung dieser glasierten Schicht zu lösen. Es gibt jedoch immer noch das Problem, daß die glasierte Schicht wegen ihres Herstellverfahrens nicht dünner als 40 bis 50 um gemacht werden kann. Somit treten auch hier wie bei Glas Wärmeansammlungen auf.
Im Gegensatz zur Verwendung zur Verwendung von Glas oder Keramik für das Trägerelement 1 besteht bei der Verwendung von Silicium der Vorteil, daß die obigen Probleme nicht auftreten. Insbesondere wenn ein polykristallines Siliciumsubstrat für das Trägerelement 1 verwendet wird, besteht kein Bedarf nach irgendeinem Verfahren zur Aufnahme von Kristallen, wie dies bei der Verwendung von monokristallinem Silicium der Fall ist. Daher ist die Herstellungsgröße nicht beschränkt. Der Erfinder u.a. haben festgestellt, daß nicht nur ein Vorteil in bezug auf die Herstellkosten besteht, sondern daß es auch möglich ist, einen Block in der Form einer quadratischen Säule zu erhalten, wenn das polykristalline Siliciumsubstrat durch Anwendung eines Gießverfahrens hergestellt wird. Es wird somit im Hinblick auf die Materialausbeute als vorteilhaft angesehen, wenn quadratische Trägerelemente 1 für den beabsichtigten Anwendungszweck zurechtgeschnitten werden.
Wenn Silicium für das Trägerelement 1 verwendet wird, ist es allgemeine Praxis, eine untere Schicht aus SiO&sub2;, die als Wärmespeicherschicht dient, für die gesamte Fläche oder einen Teil der Fläche des Trägerelementes vorzusehen, um bessere Eigenschaften für das Substrat 8 des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes zu erzielen, damit die Wärmeabstrahl- und Speichereigenschaften des Trägerelementes 1 ausgeglichen werden.
Wenn das Trägerelement ein elektrischer Leiter ist, sollte die vorstehend erwähnte untere Schicht so angeordnet werden, daß sie gleichzeitig als Isolator dient, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Dies ist sowohl in bezug auf die Konstruktion als auch in bezug auf die Kosten zweckmäßig. Als Verfahren zur Ausbildung dieser unteren Schicht (hiernach als Wärmespeicherschicht bezeichnet) sind Verfahren bekannt, bei denen die Schicht mittels thermischer Oxidation der Oberfläche des Trägerelementes 1 aus Silicium und der Abscheidung von SiO&sub2; auf dem Trägerelement 1 über verschiedene Vakuumfilmerzeugungsverfahren (Sputtern, Sputtern mit Vorspannung, thermisches CVD, Plasma-CVD und Ionenstrahlenbehandlung etc.) hergestellt wird.
Ferner werden in Abhängigkeit von den Strukturen des Substrates für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zwei Schichten von Verdrahtungen in Matrixform auf dem Trägerelement vorgesehen. In diesem Fall, in dem die Verdrahtungen direkt mit dieser exothermen Widerstandsschicht verbunden sind, werden sie auf einer Verdrahtungsschicht vorgesehen, die infolge ihrer Positionsbeziehung zu den Flüssigkeitskanälen vom Trägerelement weiter weg angeordnet ist. Folglich ist die Verdrahtungsschicht, die näher an der Trägerschicht liegt, in der Wärmespeicherschicht vergraben. Figur 12 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau des Substrates für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zeigt.
Bei dem in Figur 12 gezeigten Substrat für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf ist eine Wärmespeicherschicht 402 separat für eine erste Wärmespeicherschicht 402a und eine zweite Wärmespeicherschicht 402b ausgebildet Auf dem Siliciumträgerelement 401 ist die erste Wärmespeicherschicht 402a aus SiO&sub2; vorgesehen. Auf der ersten Wärmespeicherschicht 402a ist eine untere Verdrahtung 403, die als erste Schicht für die Verdrahtungsschicht dient, ausgebildet. Diese erste Wärmespeicherschicht 402a kann durch thermische Oxidation des Siliciumträgerelementes 401 ausgebildet werden. Die untere Verdrahtung 403 besteht normalerweise aus Aluminium und ist vorgesehen, um beispielsweise die exothermen Abschnitte in Matrix anzutreiben. Die zweite Wärmespeicherschicht 402b ist auf der Oberseite der ersten Wärmespeicherschicht 402a mit der auf diese Weise ausgebildeten unteren Verdrahtung 403 vorgesehen, so daß diese Schicht die untere Verdrahtung 403 abdeckt. Diezweite Wärmespeicherschicht 402b besteht aus SiO&sub2;. Des weiteren sind auf der zweiten Wärmespeicherschicht 402b eine exotherme Widerstandsschicht 404, eine Elektrodenschicht 405, die als zweite Schicht für die Verdrahtungsschicht dient, eine Schutzschicht 406 aus SiO&sub2; und eine Antikavitationsschicht 407 in der gleichen Weise wie bei dem Substrat für den in Figur 9 dargestellten Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf vorgesehen. Die zweite Wärmespeicherschicht 402 kann aufgrund der Anwesenheit der unteren Verdrahtung 403 nicht durch thermische Oxidation geformt werden. Daher wird sie durch Plasma-CVD, Sputtern, Sputtern mit Vorspannung o.ä. ausgebildet, wie im Fall der Schutzschicht 406.
Wie vorstehend beschrieben, wird die SiO&sub2;-Schicht als Wärmespeicherschicht ünd Schutzschicht bei der Herstellung des Substrates für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf verwendet. Diese Schichten werden klassifiziert in: (1) die Schicht, die mit Hilfe der thermischen Oxidation des Trägerelementes aus Silicium geformt werden kann (Wärmespeicherschicht in Figur 9 und erste Wärmespeicherschicht 402a in Figur 12), und (2) die Schicht, die nicht durch thermische Oxidation ausgebildet werden kann (Schutzschicht 4 in Figur 12, zweite Wärmespeicherschicht 402b und Schutzschicht 406 in Figur 12 oder in einem Fall, in dem das Trägerelement aus Metall o.ä. besteht), oder die Schicht, die aus einem Nitridfilm oder anderen Filmen als dem Dioxidfilm hergestellt wurde. Die Probleme, die bei der Herstellung von diesen Schichten der Klassifikation existieren, werden nachfolgend erläutert.
(1) Die Schicht, die durch thermische Oxidation erzeugt werden kann:
Für die Schichten, die durch thermische Oxidation hergestellt werden können, ist es wünschenswert, im Hinblick auf die Kosten und die Filmqualität der erhältlichen Schicht die Herstellung mittels thermischer Oxidation durchzuführen. Mit anderen Worten, wenn die Schicht durch herkömmliche Vakuumfilmerzeugungsverfahren erzeugt wird, neigt die Filmdicke dazu, uneben zu werden, und die Filmerzeugungsgeschwindigkeit wird langsam, wie nachfolgend beschrieben. Auch werden zum Zeitpunkt der Filmerzeugung leicht Staubpartikel erzeugt. Die im Film enthaltenen Staubpartikel führen zu Korndefekten von einigen um im Durchmesser. Es besteht daher die Möglichkeit, daß hierdurch infolge von Kavitation Brücheauftreten. Des weiteren existiert das Problem, daß elektrischer Strom aus diesen Korndefekten leckt, wodurch Kurzschlüsse verursacht werden. Es kann auch möglich sein, ein Schleuderbeschichtungsverfahren oder ein Tauchziehverfahren anzuwenden, um die Schicht aus SiO&sub2; auf der Oberfläche des Trägerelementes auszubilden, ohne von der thermischen Oxidation Gebrauch zu machen. Die durch Anwendung irgendeines dieser Verfahren erhältliche Filmqualität ist jedoch nicht wünschenswert. Um eine wünschenswerte Filmqualität zu sichern, wird es erforderlich, eine Wärmebehandlung auf hoher Temperatur durchzuführen oder die Partikel zu entfernen, die zu Verunreinigungen im Film führen. Ferner besteht das Problem, daß in einigen Fällen die SiO&sub2;- Schicht mit einer Filmdicke von etwa 3 um, die für die Wärmespeicherschicht erforderlich ist, nicht geformt werden kann.
Es werden nunmehr die Eigenschaften der durch thermische Oxidation geformten SiO&sub2;-Schicht nachfolgend beschrieben.
Bei dem Siliciumsubstrat (Trägerelement), das durch ther mische Oxidation geformt werden soll, handelt es sich um ein Trägerelement aus polykristallinem Silicium, wie vorstehend beschrieben. Diesbezüglich wurde vom Erfinder u.a. festgestellt, daß dann, wenn eine SiO&sub2;-Schicht durch thermische Oxidation der Oberfläche des Trägerelementes aus polykristallinem Silicium geformt wird, ein Unterschied im Niveau von weniger als etwa einigen 100 nm auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht infolge des Unterschiedes der thermischen Oxidationsgeschwindigkeiten, die auf die unterschiedlichen kristallinen Orientierungen zurückzuführen sind, auftritt. Wenn ein derartiger Niveauunterschied auf der Oberfläche auftritt, konzentrieren sich mögliche Fehler auf diesen abgestuften Abschnitt, die durch thermische Schocks durch Erhitzen und Abkühlen oder durch die zum Zeitpunkt des Ausstoßens der Flüssigkeit zur Aufzeichnung verursachte Kavitation erzeugt werden. Wenn daher die exothermen Widerstandselemente geformt weyden sollten, wenn ein derartiger Niveauunterschied vorhanden ist, tritt das Problem auf, daß die Zuverlässigkeit in signifikanter Weise reduziert wird. Genauer gesagt, wenn das Ausstoßen der Flüssigkeit zum Aufzeichnen wiederholt wird, wird die Kavitation auf den Niveauunterschied auf der Oberfläche konzentriert. Es tritt daher das Problem auf, daß ein Bruch früher auftreten kann. Um ein derartiges Problem zu vermeiden, kann die thermisch oxidierte Oberfläche über eine Polierbearbeitung eingeebnet werden. Mit einer üblichen Bearbeitungstechnik ist es jedoch nicht möglich, eine Schicht mit einer Dicke von weniger als einigen pm eben zu machen. Man kann auch eine extrem dicke thermische Oxidationsschicht formen und über eine Polierbearbeitung entfernen. Dies ist jedoch aufgrund der Kosten nachteilig.
(2) Die Schicht, die nicht durch thermische Oxidation hergestellt werden kann:
Wenn die Ausbildung durch thermische Oxidation unmöglich ist, wird die SiO&sub2;-Schicht unvermeidbar durch Plasma-CVD, Sputtern, Sputtern mit Vorspannung oder andere Vakuumfilmerzeugungsverfahren hergestellt. In diesem Fall wird die SiO&sub2;-Schicht auf der Verdrahtungsschicht, exothermen Widerstandsschicht und thermischen Oxidationsschicht aus polykristallinem Silicium vorgesehen. Diese Schicht muß in wünschenswerter Weise selbst an einer Stelle ausgebildet werden, an dem ein Niveauunterschied vorhanden ist. Es gibt ferner einige Fälle, bei denen eine Verdrahtungsschicht und eine exotherme Widerstandsschicht auf der auf diese Weise hergestellten SiO&sub2;-Schicht ausgebildet werden müssen. Dann ist es wünschenswert, die Oberseite dieser Schicht selbst in dem Abschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt, einzuebnen. Hiernach werden die Problemebeschrieben, die beim Ausbilden der SiO&sub2;-Schicht durch Plasma-CVD, Sputtern und Sputtern mit Vorspannung auftreten.
Beim Plasma-CVD treten bei der Ausbildung des Filmes dort, wo Niveauunterschiede auftreten, besonders steile Abschnitte auf, wodurch die Filmqualität in derartigen Abschnitten reduziert wird. Es besteht ferner das Problem, daß kleine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des auszubildenden Filmes erzeugt werden. Zuerst werden die besonders steilen Abschnitte der Niveauunterschiede erläutert.
Figur 13A ist eine Schnittansicht, die die Zusammensetzung des Niveauunterschiedes zeigt, der im SiO&sub2;-Film 410 auftritt, welcher durch Plasma-CVD auf einer Aluminiumverdrahtung 409 ausgebildet wurde. Wenn ein Niveauunterschied bei Durchführung des Plasma-CVD existiert, wird der durch den Niveauunterschied erzeugte Schnitt tief, wie durch den mit dem Pfeil A in Figur 13A bezeichneten Abschnitt gekennzeichnet. Wenn daher, wie in Figur 13B gezeigt, ein Dünnfilm 511 durch Abscheidung, Sputtern oder ein anderes Verfahren auf dem SiO&sub2;-Film 410 ausgebildet wird, ist die Ausdehnung des Filmes über diesen Abschnitt A nicht gut genug. Der Film wird daher in diesem Abschnitt dünner als über dem ebenen Abschnitt. Wenn Verdrahtungen u.a. dort ausgebildet werden, wird somit die Stromdichte größer, so daß Wärme erzeugt wird oder die Verdrahtung bricht. Wenn eine Bemusterung für die auf dem SiO&sub2;-Film 410 auszubildenden Verdrahtungen durchgeführt wird, wird der Resist durch die Anwendung der üblichen Fotolithografietechnik in dem Abschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt, nicht in wünschenswerter Weise entfernt, so daß die Neigung zu Kurzschlüssen zwischen den Verdrahtungen besteht. Figur 13C ist eine Ansicht, die den in Figur 13B dargestellten Abschnitt zeigt, der in der durch einen Pfeil C in Figur 13A angedeuteten Richtung beobachtet wird. Die Figur zeigt den Zustand, in dem sich ein Film 411 (schraffierter Abschnitt in Figur 13C), beispielsweise eine Aluminiumverdrahtung, auf dem SiO&sub2;-Film 410 entlang den Niveauunterschieden erstreckt. Dieses Problem tritt einfacher für einen Film zwischen Schichten auf, d.h. bei einer SiO&sub2;-Schicht, die zwischen einer Vielzahl von Verdrahtungsschichten angeordnet ist.
Wenn der SiO&sub2;-Film durch Plasma-CVD ausgebildet wird, wird die Filmqualität in dem Abschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt, stärker verschlechtert, wie bei B in Figur 13A gezeigt. Wenn der auf diese Weise ausgebildete SiO&sub2;- Film mit einer Ätzlösung enthaltend Fluorwasserstoffsäure geätzt wird, wird der Film bei B sofort weggeätzt, da er dort eine geringe Dicke besitzt, während er auf dem ebenen Abschnitt mit einer Geschwindigkeit geätzt wird, die 2 bis 4 mal so groß ist wie die der SiO&sub2;-Filmerzeugung durch thermische Oxidation. In einem derartigen Abschnitt des Filmes mit geringer Dicke kann es zum Auftreten von Rissen durch die thermischen Spannungen kommen, die durch das wiederholte Erhitzen und Abkühlen der Heizelemente (exotherme Abschnitte) erzeugt werden. Wenn daher der Film als Schutzschicht verwendet wird, geht seine Funktion leicht verloren. Auch für die Bemusterung eines Filmes, der auf dem SiO&sub2;-Film laminiert werden muß, d.h. eines HfB&sub2;-Filmes, der für die exotherme Widerstandsschicht verwendet wird, und eines Ta-Filmes, der beispielsweise für die Antikavitationsschicht verwendet wird, wird es schwierig, eine Ätzlösung aus Fluorwasserstoffsäure zu verwenden.
Es werden nunmehr die kleinen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des SiO&sub2;-Filmes, der durch Plasma-CVD erzeugt worden ist, beschrieben.
Allgemein besteht die Neigung zum Auftreten von kleinen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des durch Plasma-CVD erzeugten Filmes, selbst wenn dieser auf einem ebenen Substrat geformt wird. Diese Unregelmäßigkeiten auf dem SiO&sub2;- Film verbleiben ebenfalls auf der Antikavitationsschicht, die direkt in Kontakt mit der Tinte steht. Wenn daher auf der Heizfläche eine Blasenbildung der Tinte stattfindet, sind die Ausgangspunkte der Blasenbildung (Blasenkeime) auf der Heizfläche verstreut. Daher kann das Filmsiedephänomen kaum in beständiger Weise reproduziert werden, und es besteht die Möglichkeit, daß durch diese Instabilität nachteilige Auswirkungen auf das Ausstoßverhalten erzeugt werden.
Beim Sputterverfahren besitzt der Film ebenfalls einen steilen Sprung in dem Verdrahtungsabschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt. Die Filmqualität des auf diese Weise erzeugten Filmes ist somit nicht wünschenswert. Es besteht ferner das Problem, daß die sogenannten Partikel groß sind. Die steile Ausbildung des Filmes in dem Abschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt, entspricht der bei der Durchführung des Plasma-CVD. Daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Hier wird zuerst die Filmqualität beschrieben.
Wenn der SiO&sub2;-Film durch ein übliches Sputterverfahren (d.h. ein Verfahren zum Sputtern eines SiO&sub2;-Target mit Ar- Gas) geformt wird, ist es unmöglich, einen dünnen Film auszubilden, es sei denn, die Substrattemperatur würde auf etwa 300ºC erhöht. Wenn jedoch die Temperatur auf etwa 300ºC erhöht wird, werden kleine Hügel in der für die Verdrahtungen verwendeten Aluminiumschicht ausgebildet. Insbesondere wenn ein kleiner Hügel am Randabschnitt der Aluminiumverdrahtung 409 gemäß Figur 14 ausqebildet wird, wird der Unterschied in der Dicke des darauf ausgebildeten SiO&sub2;- Filmes 410 groß, wodurch die Abdeckfähigkeit des Filmes herabgesetzt wird. Mit anderen Worten, es besteht die Neigung, daß am Stufenabschnitt Risse auftreten. Wenn Tinte mit den Elektroden von derartigen gerissenen Abschnitten in Kontakt tritt, folgt eine elektrolytische Korrosion. Ferner kann die Filmgualität in dem Abschnitt, in dem der Niveauunterschied auftritt, nicht verbessert werden, selbst wenn die Substrattemperatur auf 300ºC erhöht wird. Es tritt das gleiche Problem auf wie bei der Filmerzeugung durch Plasma- CVD.
Als Verfahren zur Ausbildung eines Filmes bei niedrigen Temperaturen ohne Herabsetzung der Filmqualität ist es möglich, das Sputtern eines SiO&sub2;-Target in einer Atmosphäre aus Ar und H&sub2; durchzuführen. Es ist jedoch unmöglich, die Filmqualität in dem Abschnitt zu verbessern, in dem der Niveauunterschied auftritt. Die Filmkonfiguration in einem derartigen Abschnitt ist die gleiche wie bei B in Figur 13A. Es tritt das gleiche Problem auf wie bei der Filmerzeugung durch Plasma-CVD. Wenn ein H&sub2;-Gas zugesetzt wird, wird darüber hinaus die Filmerzeugungsgeschwindigkeit herabgesetzt (je mehr H&sub2; zugesetzt wird, desto geringer wird die Geschwindigkeit). Auf diese Weise wird die Behandlungskapazität reduziert.
Des weiteren sind in der Filmerzeugungskammer einer Sputtervorrichtung ein Target, eine Abschirmplatte, eine Verschlußplatte u.a. angeordnet, so daß deren Struktur komplizierter ist als die Reaktionskammer einer Plasma-CVD-Vorrichtung. Wenn ein SiO&sub2;-Film und andere Isolationsfilme erzeugt werden, wird eine Funkenentladung durch Aufladung o.ä. erzeugt. Somit tritt das Problem auf, daß die durch die Funkenentladung verstreuten Materialien und die abgeschiedenen Staubpartikel, die durch Wartung (Reinigung) in der komplizierten Filmerzeugungskammer nicht entfernt werden können, als Partikel auf das Substrat herabfallen und hierauf abgelagert werden. Mit anderen Worten, wenn diese Staubpartikel im Film enthalten sind, treten Korndefekte von einigen um auf. Wenn die exothermen Widerstandselemente auf Abschnitten ausgebildet werden, die solche Defekte aufweisen, besteht die Möglichkeit, daß ein Kavitationsbruch zum Zeitpunkt des Ausstoßes auftritt. Wenn das Substrat elektrisch leitend ist, leckt elektrischer Strom aus solchen korndefekten Abschnitten, so daß Kurzschlüsse verursacht werden. Aufgrund dieser Tatsache wird es schwierig, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit eines herzustellenden Aufzeichnungskopfes zu verbessern.
Das Sputterverfahren mit Vorspannung ist ein Verfahren zum Einebnen der Form an der Stelle, an derder Niveauunterschied vorhanden ist, durch Aufbringung von Hochfrequenzenergie auch auf die Substratseite, um die durch die Eigenvorspannung erzeugten Sputtereffekte auszunutzen. Daher besteht im Gegensatz zum Sputtern oder dem Plasma-CVD-Verfah ren kein Problem, was das unzureichende Einebnen des abgestuften Abschnittes anbetrifft. Figur 15 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau des abgestuften Abschnittes (des Abschnittes, in dem der Niveauunterschied auftritt) zeigt, wenn die SiO&sub2;-Schicht 410 auf einer Aluminiumverdrahtung 409 durch das Sputterverfahren mit Vorspannung ausgebildet wird. Aus Figur 15 ist klar, daß im Vergleich zum Plasma-CVD-Verfahren o.ä. der abgestufte Abschnitt eingeebnet worden ist. Trotzdem werden wie im Fall des üblichen Sputterverfahrens Partikel in einfacher Weise erzeugt. Ferner besteht das Problem, daß die Filmerzeugungsgeschwindigkeit gering ist. Es wird nunmehrdie Filmerzeugungsgeschwindigkeit beim Sputterverfahren mit Vorspannung erläutert.
Bei diesem Verfahren wird eine Ätzung durchgeführt, während gleichzeitig die Substratseite mit einer Hochfrequenzvorspannung beauf schlagt wird. Hierdurch wird im Vergleich zum üblichen Sputtern die Filmerzeugungsgeschwindigkeit um eine Größe reduziert, die der auf diese Weise durchgeführten Ätzung aquivalent ist. Um die Filmqualität am abgestuften Abschnitt und die Abdeckung wünschenswert zu machen, muß für mehr als 10 % der Filmerzeugungsgeschwindigkeit eine Ätzung zugesetzt werden. Daher wird im Vergleich zum üblichen Sputtern die Filmerzeugungsgeschwindigkeit um mehr als 10 % abgesenkt. Daher sinkt die Produktivität um diesen Wert ab. Wenn eine zu große Vorspannung angelegt wird, wird die Filmerzeugungsgeschwindigkeit weiter reduziert. Ferner kann das Problem auftreten, daß der abgestufte Abschnitt nicht abgedeckt werden kann. Es ist daher wünschenswert, die Ätzgeschwindigkeit auf 5 % bis 50 % der Filmerzeugungsgeschwindigkeit ohne Anlegen irgendeiner Vorspannung zu definieren.
Wenn beim Sputterverfahren und beim Sputterverfahren mit Vorspannung die Hochfrequenzenergie, die an die Kathode (Target) angelegt wird,zu stark erhöht wird, treten am Target Risse auf oder es wird eine unnormale Entladung erzeugt. Mit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technik wird daher davon ausgegangen, daß die Filmerzeugungsgeschwindigkeit auf 200 nm/min begrenzt ist. Diese Verfahren führen daher zu einer geringen Produktivität.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Schutzschicht für die Wärmespeicherschicht oder der Isolationsfilm zwischen den Verdrahtungen für das Substrat des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes ausgebildet wird, gibt es viele Aspekte, die in bezug auf die Filmqualität, die Oberflächenglätte oder die Filmerzeugungsgeschwindigkeit u.a. verbessert werden müssen.
Die vorliegende Erfindung wurde in bezug auf die Lösung der obigen Probleme und Beschaffung der erforderlichen Verbesserungen konzipiert. Es ist das Hauptziel der Erfindung, ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit einer Wärmespeicherschicht (unteren Schicht), Schutzschicht und einem Isolationsfilm zwischen den Verdrahtungen (Isolationsfilm zwischen Schichten) mit wünschenswerten Eigenschaften und einer ausgezeichneten Haltbarkeit, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes, einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf und eine Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung zu schaffen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf vorgesehen, das umfaßt:
ein Trägerelement;
exotherme Widerstandselemente, die auf diesem Trägerelement angeordnet sind, um thermische Energie zu erzeugen, die zum Ausstoßen einer Flüssigkeit verwendet wird;
ein Paar von Verdrahtungselektroden, die an die exothermen Widerstandselemente mit vorgegebenen Intervallen angeschlossen werden; und
Schichten, die mit Filmen strukturiert sind, welche über ein Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren erzeugt wurden.
Ferner wird ein Herstellverfahren für ein derartiges Substrat eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes, ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit einem derartigen Substrat oder eine Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung, in der dieser Aufzeichnungskopf montiert ist, geschaffen.
Von den Zeichnungen zeigen:
die Figuren 1A und 1B Schnittansichten eines Substrates;
Figur 2 eine Schnittansicht des Aufbaues eines Trägerelementes, das für die Ausbildung des Substrates verwendet wird;
Figur 3A eine Schnittansicht, die schematisch ein Substrat aus polykristallinem Si zeigt, das durch ein übliches Verfahren thermisch oxidiert wurde;
Figur 3B eine Schnittansicht, die schematisch ein Substrat aus polykristallinem Si zeigt, für das eine Wärmespeicherschicht durch ein Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahren im Anschluß an eine Polierbehandlung des Substrates ausgebildet wurde;
die Figuren 4A und 4B Ansichten zur Darstellung der Ausbildung eines thermisch oxidierten Filmes auf der Oberfläche etriessubstrates aus polykristallinem Silicium;
Figur 5 eine Schnittansicht des Aufbaues eines Substrates für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf;
Figur 6 eine Schnittansicht eines SiO&sub2;-Filmes, der einen Niveauunterschied durch eine Aluminiumverdrahtung aufweist;
die Figuren 7A und 7B Darstellungen, die eine Schnittansicht eines SiO&sub2;-Filmes zeigen, der einen Niveauunterschied infolge einer Aluminiumverdrahtung aufweist;
Figur 8 eine Schnittansicht des Hauptteiles eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes entlang dessen Flüssigkeitskanal;
Figur 9A eine teilweise abgeschnittene perspektivische Ansicht des Hauptteiles des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes;
Figur 9B eine Vertikalschnittansicht des Hauptteiles des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes entlang einer den Flüssigkeitskanal einschließenden Ebene;
Figur 10 eine perspektivische Ansicht der äußeren Erscheinungsform eines Ausführungsbeispiels einer Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung, die mit einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist;
Figur 11 eine Ansicht des Aufbaues einer Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung;
Figur 12 eine Schnittansicht eines Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf einschließlich einer zwei Schichten aufweisenden Verdrahtungsschicht;
die Figuren 13A, 13B und 13C Schnittansichten und eine Draufsicht, die den Aufbau einer SiO&sub2;-Schicht mit einem Niveauunterschied infolge einer Aluminiumverdrahtung zeigen;
Figur 14 eine Schnittansicht des Aufbaues einer SiO&sub2;-Schicht mit einem Niveauunterschied aufgrund einer Aluminiumverdrahtung; und
Figur 15 eine Schnittansicht des Aufbaues einer SiO&sub2;-Schicht mit einem Niveauunter schied aufgrund einer Aluminiumverdrahtung.
Zuerst wird ein Ausbildungsverfahren für eine untere Schicht, die als Wärmespeicherschicht dient, beschrieben.
Bei der vorliegenden Erfindung stellt die Ausbildung einer unteren Schicht einen schwierigen Aspekt dar, wobei es erforderlich ist, eine untere Schicht einer Dicke von einigen um vorzusehen, um die Energiereduzierung zu realisieren, die zur Blasenbildung erforderlich ist, während das Wärmefreigabevermögen des Substrates sichergestellt wird.
Wenn die untere Schicht auf einem Trägerelement aus polykristallinem Silicium, einem Trägerelement aus Aluminium oxid ohne glasierte Schicht, einem Trägerelement aus Keramik, wie beispielsweise Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und Siliciumoxid, oder einem Trägerelement aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer, Covar u.ä., u.a. ausgebildet wird, wird die SiO&sub2;-Filmerzeugung über ein Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahren anstelle der Ausbildung eines SiO&sub2;-Filmes über ein herkömmliches Vakuumfilmerzeugungsverfahren (Sputtern, Sputtern mit Vorspannung, Plasma-CVD o.ä.) durchgeführt.
Auch wenn ein anderer Film als der SiO&sub2;-Film als untere Schicht verwendet wird, wird die Filmerzeugung durch das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren durchgeführt.
Es wird nunmehr das ECR-Plasma-CVD-Verfahren als erstes beschrieben. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Plasma-CVD- Verfahren, bei dem ein Plasma mit einem Hochfrequenzfeld von 13,56 MHz erzeugt wird, wird beim ECR-Plasma-CVD-Verfahren von einer elektronischen Zyclotronresonanz (ECR) Gebrauch gemacht, um ein Plasma mit hoher Dichte und hoher Aktivierung in einer Plasmaerzeugungskammer unter einem hohen Unterdruck zu erzeugen. Dieses Plasma wird auf eine Filmerzeugungskammer transferiert, um in erforderlicher Weise eine Filmerzeugung durchzuführen. Im Vergleich zum herkömmlichen Plasma-CVD-Verfahren hat dieses Verfahren u.a. den Vorteil, daß es möglich ist, diefilmerzeugungsgeschwindigkeit mit weniger Beschädigungen an Halbleiterelementen groß zu machen. Bei dem Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD- Verfahren wird Hochfrequenzenergie auf ein Substrat aufgebracht, das in einer Filmerzeugungskammer wie bei dem ECR- Plasma-CVD angeordnet ist. Dann wird der Ionenschockeffekt in der gleichen Weise wie bei einem Sputterverfahren mit Vorspannung vergrößert, um zu ermöglichen, daß eine Abscheidung und ein Ätzvorgang gleichzeitig ablaufen.
Das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren ist insofern vorteilhaft, als daß nicht nur die Filmgeschwindigkeit hoch ist und der abgestufte Abschnitt abgeflacht werden kann, sondern auch weniger Partikel auftreten als beim Sputtern oder Sputtern mit Vorspannung. Mit anderen Worten, wenn ein SiO&sub2;-Film durch Ausübung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD- Filmerzeugungsverfahrens erzeugt wird, ist in der Plasmaerzeugungskammer nur O&sub2;-Gas oder O&sub2; + Ar vorhanden. Wenn nur das Innere der Plasmaerzeugungskammer rein ist, können kaum Partikel erzeugt werden, da die Erzeugung des SiO&sub2; aus der Reaktion zwischen dem O&sub2;-Gas und dem SiH&sub4;-Gas resultiert. Wenn die Filmerzeugung wiederholt wird, wird die Filmerzeugungskammer durch die anhaftenden Partikel verunreinigt, wobei es schwierig ist, die für das herkömmliche Plasma- CVD-Verfahren und Sputterverfahren mit Vorspannung verwendete Sputterkammer zu reinigen, da in deren Innerem das Target, die Targetabschirmung u.a. Elemente vorhanden sind. Während es extrem schwierig ist, die Kammer gemäß dem herkömmlichen Verfahren vollständig zur reinigen, ist es beim Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren einfach, diese Reinigung durchzuführen, da die Filmerzeugungskammer, die für das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD verwendet wird, so einfach aufgebaut ist, daß sie nur einen Substrathalter in ihrem Inneren aufweist. Mit der vorhandenen Orientierung der Filmerzeugung wird erreicht, daß sich die anhaftenden Partikel in der Nachbarschaft des Substrathalters konzentrieren. Des weiteren ist es möglich, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; oder ein anderes Gas anstelle des O&sub2;-Gases zu induzieren, um den am Inneren der Filmerzeugungskammer haftenden Film zu ätzen Mit dieser einfacheren Methode der Reinigung kann eine ausgezeichnete Reduzierung der Partikel erreicht werden, die das Problem in bezug auf die Haltbarkeit des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes erzeugen.
Es wird nunmehr in Verbindung mit Figur 11 der Aufbau einer Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung beschrieben.
Das gesamte System ist so angeordnet, daß es mit Hilfe einer Abzugspumpe (nicht gezeigt), die an einen Auslaß 321 angeschlossen ist, auf einen hohen Unterdruck evakuiert werden kann. Einer Plasmaerzeugungskammer 314 werden Mikrowellen von 2,45 GHz über eine Mikrowellenführung 413 zugeführt, während O&sub2;-Gas oder ein Mischgas aus O&sub2; und Ar über einen ersten Gaseinlaß 315 eingeführt wird. Die Magnetkraft eines um den Außenabschnitt der Plasmaerzeugungskammer 314 herum angeordneten Magneten 312 wird so eingestellt, daß sie die Bedingung der ECR (elektronische Zyclotronresonanz) erfüllt. Dann wird ein Plasma mit hoher Dichte und hoher Aktivierung in der Plasmaerzeugungskammer 314 erzeugt. Dieses Plasmagas wiird einer Filmerzeugungskammer 317 zugeführt. SiH&sub4;-Gas wird von einem zweiten Gaseinlaß 216 eingeführt, der für die Filmerzeugungskammer 217 vorgesehen ist. Dann wird ein SiO&sub2;-Film auf einem Trägerelement 319 abgeschieden, das auf einem Substrathalter 318 angeordnet ist, der sich in der Filmkammer 317 befindet. Gleichzeitig wird dann dem Substrathalter 318 Hochfrequenz von einer Hochfrequenzenergiequelle 320 zugeführt, die mit dem Substrathalter 318 in Verbindung steht, um einen gleichzeitigen Ätzvorgang für das Trägerelement 319 durchzuführen.
Auf der auf diese Weise für das in Figur 2 gezeigte Substrat gebildeten SiO&sub2;-Schicht (Trägerelement) 1b werden beispielsweise eine Elektrodenschicht 3 und eine exotherme Widerstandsschicht 2, die in den Figuren 1A und 1B gezeigt sind, in einer vorgegebenen Form bemustert, um elektrothermische Wandler herzustellen. Ferner wird erforderlichenfalls eine Schutzschicht 4 vorgesehen, so daß ein Substrat 8 für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf erhalten wird.
Die Form der elektrothermischen Wandler und der Aufbau der Schutzschicht 4 u.a. sind nicht auf die in den Figuren 1A und 1B gezeigten Ausführungsformen begrenzt. Danach werden auf dem Substrat 8 für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf beispielsweise Flüssigkeitskanäle 6, Abgabeöffnungen 7 und erforderlichenfalls eine Flüssigkeitskammer 10 ausgebildet, wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt. Somit wird es möglich gemacht, einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Der Aufbau des Aufzeichnungskopfes ist ebenfalls nicht auf den in den Figuren 9A und 9B gezeigten Aufbau beschränkt.
Beispielsweise besitzt der in Figur 9A gezeigte Aufzeichnungskopf einen solchen Aufbau, daß die Richtung, in der die Flüssigkeit von den Abgabeöffnungen ausgestoßen wird, und die Richtung, in der die Flüssigkeit den Stellen in den Flüssigkeitskanälen zugeführt wird, an denen die exothermen Abschnitte der Wärmeenergieerzeugungselemente vorgesehen sind, im wesentlichen identisch sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann es möglich sein, die vorliegende Erfindung bei einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf anzuwenden, bei dem sich die vorstehend genannten zwei Richtungen voneinander unterscheiden (beispielsweise im wesentlichen vertikal zueinander verlaufen).
Für das Trägerelement eines Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf können Aluminium, monokristallines Si, Glas, Aluminiumoxid, Aluminiumglasur, SiC, AlN, SiN u.a. Verwendung finden. Die vorliegende Erfindung, bei der das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahren Anwendung findet, ist jedoch am besten für ein Trägerelement aus polykristallinem Si geeignet.
Das Trägerelement aus dem polykristallinen Si besitzt die Materialeigenschaften, die für ein Substrat fur einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf erforderlich sind und die mit denen eines Substrates aus monokristallinem Si identisch sind. Ferner ist es mit niedrigen Kosten verbunden und kann auch in einer großen Fläche erhalten werden. Wenn jedoch eine thermische Oxidation durchgeführt wird, tritt ein Niveauunterschied pro Kristallkorn infolge des Unterschiedes der Oxidationsgeschwindigkeit pro Kristallebene auf. Wenn beispielsweise die Dicke einer thermisch oxidierten Schicht 3 um beträgt, beträgt der Niveauunterschied auf deren Oberfläche etwa 1.000 Å. Um diesen Niveauunterschied einzuebnen, wird ein SiO&sub2;-Film durch das Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahren anstelle der Ausbildung einer Wärmespeicherschicht mittels thermischer Oxidation hergestellt. Es wird somit möglich, das Problem zu lösen, daß sich die Kavitation auf solche Abschnitte mit Niveauunterschied beim dauerhaften Tintenausstoß konzentriert und zu frühen Brüchen führt.
Der grundlegende Aufbau eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vorliegenden Erfindung kann dem des Standes der Technik entsprechen. Der Tintenstrahlaufzeichnungskopf kann daher grundsätzlich hergestellt werden, ohne die bekannten Herstellverfahren zu verändern. Mit anderen Worten, SiO&sub2; kann für die wärmespeicherschicht (2 bis 2,8 um) verwendet werden, HfB&sub2; u.a. für die elektrothermischen Wandler (exotherme Widerstandsschicht) (0,02 bis 0,2 um), Ti, Al, Cr u.a. für die Elektroden (0,1 bis 0,5 um), SiO&sub2;, SiN u.a. für die obere Schutzschicht (erste Schutzschicht) (0,5 bis 2 um), Ta, Ta&sub2;O&sub5; u.a. für die zweite Schutzschicht (0,3 bis 0,6 um) und lichtempfindliches Polyimid u.a. für die dritte Schutzschicht.
Es wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel zur Ausbildung der unteren Schicht, die als Wärmespeicherschicht dient, im einzelnen erläutert.

Ausführungsform 1-1

Ein Block aus Aluminium 99,99 % im Gemisch mit 4 % Magnesium (Gewichtsprozent) wird gewalzt und dann in ein quadratisches Substrat von 300 x 150 x 1,1 durchtrennt. Danach wird das Material mit einem Diamantwerkzeug genau geschnitten, um ein poliertes Substrat mit einer Oberflächenrauhigkeit von 150 Å im Maximum zu erhalten.
Dann wird mit der vorstehend beschriebenen Vorspannungs- ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung ein SiO&sub2;-Film (2,8 um) ausgebildet. Mikrowellen von 2,45 GHz werden von der Mikrowellenführung 312 eingeführt, während SiH&sub4; vom Gaseinlaß 315 eingeführt wird. Auf diese Weise wird ein SiO&sub2;-Film auf dem Trägerelement 319 abgeschieden. Gleichzeitig wird dem Trägerelementhalter 318 Hochfrequenzenergie zugeführt, um gleichzeitig einen Ätzvorgang durchzuführen.

Bedingungen der Filmerzeugung

O&sub2;-Gas-Durchsatz 120 SCCM
SiH&sub4;-Gas-Durchsatz 40 SCCM
Mikrowellenenergie 1 kW
Vorspannungshochfrequenzenergie 1 kW
Filmerzeugungskammerdruck 0,2 Pa
In 8 Minuten wurde eine Filmdicke von 28.000 Å erhalten.
Nach Ausbildung des SiO&sub2;-Filmes über das Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD wurde die Oberflächendifferenz 2 über einen Sonden-Rauhigkeitsmesser gemessen. Es wurde keine signifikante Differenz gegenüber dem Zustand vor der Filmerzeugung festgestellt, da die erzeugte maximale Oberflächendifferenz geringer als 15 nm war.
Die obigen Bedingungen stellen die von speziellen Ausführungsbeispielen dar. Im allgemeinen finden jedoch folgende Bedingungen Anwendung: O&sub2; - SiH&sub4; wird als Gas zugeführt. Der Durchsatz (O&sub2;/SiH&sub4;) beträgt 2 bis 3. Der Filmkammerdruck liegt bei 0,2 bis 0,3 Pa. Die Substrattemperatur beträgt 150 bis 200ºC. Die Mikrowellenenergie beträgt 1,0 bis 2,5 kW, und die Vorspannungshochfrequenzenergie beträgt etwa 0,5 bis 1,0 kW. Die Filmerzeugungsgeschwindigkeit liegt üblicherweise bei 0,2 bis 0,4 um/min.
Bei einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, der unter Verwendung des auf diese Weise hergestellten Aluminiumsubstrates produziert wurde, wurden die Wirkungen der vorliegenden Erfindung durch Ausführung eines Dauerausstoßtestes bestätigt. Figur 3B ist eine Schnittansicht, die schematisch den Zustand zeigt, in dem eine Wärmespeicherschicht durch das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Erzeugungsverfahren nach dem Polieren des Substrates ausgebildet wird. Die Oberflächendifferenz wird somit gemäß der vorliegenden Erfindung extrem gering.
Zuerst wurden unter Anwendung der Fotolithografiebemusterungstechnik bei der in den Figuren 1A und 1B gezeigten Ausführungsform auf einem Aluminiumsubstrat zur Herstellung eines Kopfes exotherme Widerstandselemente 2 aus HfB&sub2; (20 um x 100 um, Filmdicke 0,16 um, Verdrahtungsdichte 16 Pel) und Elektroden 3 aus Al (Filmdicke 0,6 um und Breite 20 um), die an jedes exotherme Widerstandselement 2a angeschlossen waren, hergestellt. Danach wurde die Schutzschicht 4 aus SiO&sub2;/Ta (Filmdicke 2 um 0,5 um) durch Sputtern auf dem oberen Teil des Abschnittes ausgebildet, auf dem die Elektroden und die exothermen Widerstandselemente geformt wurden.
Wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt, wurden dann die Flüssigkeitskanäle 6, eine Flüssigkeitskammer (nicht gezeigt) u.a. mit Trockenf ilmen ausgebildet. Zuletzt wurde die Ebene B-B, in der die Abgabeöffnungsfläche ausgebildet ist, durchtrennt, um einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zu erhalten, dessen Aufbau in Figur 12 gezeigt ist.
Nunmehr wurden Drucksignale von 1,1 V mit einer Impulsbreite von 10 us an jedes exotherme Widerstandselement gelegt, um den Ausstoß der Flüssigkeit von jeder Abgabeöffnung zu bewirken. Die Zykluszahlen der elektrischen Signale wurden gemessen, bis ein Bruch der Verdrahtung des exothermen Widerstandselementes auftrat. Somit wurde eine Auswertung der Haltbarkeit durchgeführt. Dieser Haltbarkeitstest wurde für einen Kopf durchgeführt, der 256 exotherme Widerstandselemente pro Kopf besaß. Der Test wurde in dem Moment gestoppt, in dem eine der Verdrahtungen der exothermen Widerstandselemente brach.
Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 (Abgabe-Haltbarkeitstest)
Während ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, der durch die herkömmliche Technik unter Verwendung eines Aluminiumsubstrates mit einer Wärmespeicherschicht, die eine große Zahl von enthaltenen Partikeln aufwies, hergestellt worden war, zu einem Kurzschluß des Substrates oder zu einem früheren Kavitationsbruch infolge der Partikeldefekte in den exothermen Widerstandselementen führte, verursachte der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, der mit dem. Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Aluminiumsubstrates mit weniger enthaltenen Partikeln hergestellt worden war, überhaupt keinen Kavitationsbruch. Ferner wurde hierbei die zur Ausbildung der Wärmespeicherschicht erforderliche Zeit in signifikanter Weise von einigen Stunden auf einige Minuten reduziert.
Mit den vorstehend wiedergegebenen Ergebnissen wurde bestätigt, daß dann, wenn ein Kopf mit einem Substrat hergestellt wird, dessen Wärmespeicherschicht mit einem SiO&sub2;- Film versehen ist, der durch das Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Filmerzeugungsverfahren nach dem Polieren des Aluminiumsubstrates, kein Problem beim Wärmehaltbärkeitstest (Abgabe-Haltbarkeitstest) auftritt und die Bearbeitungszeit wesentlich verkürzt wird.

Ausführungsform 1-2

Es wurde ein Block aus polykristallinem Silicium über ein Gießverfahren (bei dem geschmolzenes Si in eine Form gegossen und verfestigt wird) hergestellt. Der Korndurchmesser der Kristalle betrug im Durchschnitt etwa 4 mm.
Dann wurde ein quadratisches Substrat vom Block abgetrennt. Es wurde eine Läppung und Polierung duchgeführt, um ein poliertes Substrat einer Größe von 300 x 150 x 1,1 mit einer Oberflächenrauhigkeit von maximal 150 Å zu erhalten.
Dann wurde mit der vorstehend beschriebenen Vorspannungs- ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung ein SiO&sub2;-Film hergestellt. Mikrowellen von 2,45 GHz wurden von der Mikrowellenführung 12 eingeführt, und SiH&sub4; wude vom Gaseinlaß 15 eingeführt. Auf diese Weise wurde ein SiO&sub2;-Film auf dem Trägerelement 18 abgeschieden. Dann wurde dem Trägerelementhalter 19 Hochfrequenz 21 zugeführt, um gleichzeitig eine Ätzung durchzuführen.

Bedingungen der Filmerzeugung

O&sub2;-Gas-Durchsatz 120 SCCM
SiH&sub4;-Gas-Durchsatz 40 SCCM
Mikrowellenenergie 1 kW
Vorspannungshochfrequenzenergie 1 kW
Filmerzeugungskammerdruck 0,2 Pa
Es wurde eine Filmdicke von 28.000 Å in 8 Minüten erhalten.
Nach Ausbildung des SiO&sub2;-Filmes über das Vorspannuns-ECR- Plasma-CVD wurde die Oberflächendifferenz über eine Rauhigkeitsmeßsonde gemessen. Gegenüber dem Zustand vor der Filmerzeugung wurde keine signifikante Differenz festgestellt, da die maximaleerzeugte Oberflächendifferenz geringer war als 150 Å.
Figur 3A ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Substrat aus polykristallinem Si zeigt, wenn dieses über ein übliches Verfahren thermisch oxidiert wird, während Figur 3B eine Schnittansicht ist, die schematisch ein Substrat aus polykristallinem Si mit darauf über das Vorspannungs- ECR-Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahren nach dem Polieren ausgebildeter Wärmespeicherschicht zeigt. Das Bezugszeichen a' bezeichnet die Oberfläche des Trägerelementes vor der thermischen Oxidation. b' bezeichnet das Trägerelement aus polykristallinem Si. Mit c' sind die Kristallkörner bezeichnet. Mit d' ist die durch das Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Filmerzeugungsverfahren ausgebildete untere Schicht bezeichnet, und zwar jeweils in den Figuren 3A und 3B.
Dann wurde ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unter Verwendung des auf diese Weise hergestellten Substrates aus polykristallinem Si produziert. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung wurden durch Durchführung des Abgabe-Haltbarkeitstests bestatigt.
Als erstes wurden unter Anwendung der Fotolithographiebemusterungstechnik mit der in den Figuren 1A und 1B gezeigten Ausführungsform auf einem Substrat aus polykristallinem Si zur Herstellung eines Kopfes exotherme Widerstandselemente 2 aus HfB&sub2; (20 um x 100 um, Filmdicke 0,16 um, Verdrahtungsdichte 16 Pel) und Elektroden 3 aus Al (Filmdicke 0,6 um und Breite 20 um) ausgebildet, die an jedes exotherme Widerstandselement 2a angeschlossen waren.
Danach wurde die Schutzschicht 4 aus SiO&sub2;/Ta (Filmdicke 2 um/0,5 um) durch Sputtern auf dem oberen Teil des Abschnittes ausgebildet, an dem die Elektroden und die exothermen Widerstandselemente ausgebildet worden waren.
Wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt, wurden dann die Flüssigkeitskanäle 6, eine Flüssigkeitskammer (nicht gezeigt) u.a. mit Trockenfilmen hergestellt. Zuletzt wurde die Ebene B-B, die die Abgabeöffnungsfläche bildet, durchtrennt, um einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zu erhalten, dessen Aufbau in Figur 8 gezeigt ist.
Es wurden nunmehr Drucksignale von 1,1 Vth mit einer Impulsbreite von 10 bis an jedes des exothermen Widerstandselemente gelegt, um von jeder Abgabeöffnung Flüssigkeit auszustoßen. Die Zykluszahlen der elektrischen Signale wurden gemessen, bis eine Verdrahtung eines exothermen Widerstandselementes brach. Auf diese Weise wurde eine Auswertung der Haltbarkeit durchgeführt. Der Haltbarkeitstest wurde für einen Kopf mit 256 exothermen Widerstandselementen pro Kopf durchgeführt, und der Test wurde in dem Augenblick gestoppt, in dem eine der Verdrahtungen der exothermen Widerstandselemente brach.
Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2 (Abgabe-Haltbarkeitstest) Tabelle 2 (Abpabe-Haltbarkeitstest, Fortsetzung)
Während der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, der unter Verwendung eines Substrates aus polykristallinem Si mit Wärmespeicherschicht mit entsprechendem Niveauunterschied darauf infolge der Durchführung einer thermischen Oxidation hergestellt worden war, zu einem frühen Bruch wegen Kavitation führt und ein Substrat aus polykristallinem Si mit Wärmespeicherschicht, das durch Sputtern hergestellt wurde und viele Partikel aufwies, ebenfalls einen Kurzschluß auf dem Substrat oder einen frühen Bruch wegen Kavitation verursachte, bewirkte der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, der unter Verwendung des Substrates aus polykristallinem Si, das keinen Unterschied auf seiner Oberfläche aufwies, hergestellt wurde, überhaupt keinen Kavitationsbruch. Darüber hinaus wurde die für die Ausbildung der Wärmespeicherschicht erforderliche Zeit von einigen Stunden auf einige Minuten beträchtlich redüziert.
Mit den obigen Ergebnissen wurde bestätigt, daß dann, wenn ein Kopf mit einem Substrat hergestellt wird, das eine Wärmespeicherschicht aufweist, die mit einem SiO&sub2;-Film versehen ist, der durch Durchführung des Varspännüngs-ECR- Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahrens nach dem Polieren des Substrates aus dem polykristallinen Si hergestellt wurde, keine Probleme beim Wärmehaltbarkeitstest (Abgabe-Haltbarkeitstest) auftreten und die Bearbeitungszeit beträchtlich verkürzt wird.
Es wird nunmehr eine Ausführungsform zur Herstellung eines Substrates für einen Kopf beschrieben, bei der auf einer Wärmespeicherschicht, die durch thermisches Oxidieren eines Trägerelementes aus polykristallinem Silicium hergestellt wurde, des weiteren eine SiO&sub2;-Schicht durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahrens abgesähieden wird, um den Niveauunterschied auf der Oberfläche der Wärmespeicherschicht abzuflachen.
Hier kann der gleiche Typ von Vorspannungs-Plasma-CVD-Vorrichtung wie vorstehend beschrieben, Verwendung finden.
Das Substrat für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht dem der in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform. Unterschiedlich ist, daß eine SiO&sub2;-Schicht für die Oberfläche der Wärmespeicherschicht ib vorgesehen ist, die durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Verfahrens abgeschieden wurde. Mit anderen Worten, das Trägerelement 1 für dieses Substrat des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes ist so ausgebildet, daß die Oberfläche eines Substrates aus pqlykristallinem Silicium thermisch oxidiert ist (Figur 4A) und dann die SiO&sub2;-Schicht 504 auf der Oberfläche der thermisch oxidierten Schicht durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildet ist, um auf diese Weise den Niveauunterschied der thermisch oxidierten Schicht wesentlich abzuflachen. Dabei ist die Wärmespeicherschicht ib mindestens an einer Stelle auf dem Trägerelement 1 ausgebildet, an der exotherme Widerstandselemente 2a angeordnet sind. Dann werden auf der Wärmespeicherschicht 1b aus SiO&sub2; Elektroden 3 und eine exotherme Widerstandsschicht 2 in einer vorgegebenen Konfiguration bemustert, wie beispielsweise in den Figuren 1A und 1B gezeigt, um elektrothermische Wandler auszubilden, die jeweils ein exothermes Widerstandselement 2a und Elektroden 3a und 3b umfassen. Des weiteren wird eine Schutzschicht 4 vorgesehen, um auf diese Weise ein Substrat 8 für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zu erhalten.
Das auf diese Weise hergestellte Substrat 8 für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf wurde zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß den bei der vorhergehenden Ausführungsform beschriebenen Herstellverfahren verwendet.
Es werden nunmehr die Ergebnisse von Versuchen beschrieben, die für das Substrat für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf und den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wurden.

Ausführungsform 2-1

Zuerst wurde über ein Gießverfahren ein Block aus polykristallinem Silicium hergestellt. Der Korndurchmesser der Kristalle betrug etwa im Durchschnitt 4 mm. Von diesem Block wurde ein quadratisches Substrat abgetrennt, das poliert wurde, so daß sich ein Substrat einer Größe von 300 x 150 x 1,1 (mm) mit einer Oberflächenrauhigkeit von maximal 15 nm ergab. Das Substrat wurde dabei geläppt und poliert.
Dann wurde Sauerstoff über ein Blasverfahren eingeführt, um ein Substrat aus polykristallinem Silicium thermisch zu oxidieren, wobei eine Wärmebehandlung bei 1150ºC über 12 Stunden durchgeführt wurde. Als die Oberflächendifferenz mit Hilfe eines Sondenrauhigkeitsmessers gemessen wurde, wurde festgestellt, daß zum Zeitpunkt der thermischen Oxidation eine Oberflächendifferenz von etwa 130 nm im Maximum erzeugt worden war.
Danach wurde unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung gemäß Figur 11 eine SiO&sub2;-Schicht mit einem Film auf der thermisch oxidierten Schicht unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen abgegeschieden. Tabelle 3 Filmerzeugungsbedingungen
Auf diese Weise wurde mit einer Filmerzeugungszeit von 60 sec eine Filmdicke von 350 nm erhalten. Nach Ausbildung des SiO&sub2;-Filmes über das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren wurde die Oberflächendifferenz unter Verwendung eines Sondenrauhigkeitsmessers gemessen. Dabei ergab sich, daß eine Oberflächendifferenz von weniger als 15 nm im Maximum erzeugt wurde und keine signifikante Differenz im Vergleich zu dem Zustand vor der thermischen Oxidation festgestellt wurde.
Unter Verwendung des auf diese Weise hergestellten Substrates aus polykristallinem Silicium wurde ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf produziert. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung wurden durch Ausführung eines Abgabe-Haltbarkeitstests bestätigt. Zuerst wurden unter Anwendung der Fotolithographiebemusterungstechnik mit der in den Figuren 1A und 1B gezeigten Ausführungsform auf einem Substrat aus polykristallinem Silicium zur Herstellung eines Kopfes exotherme Elemente 2a aus HfB&sub2; (20 um x 100 um, Filmdicke 0,16 um, Verdrahtungsdichte 16 Pel) und Elektroden 3a und 3b aus Al (Filmdicke 0,6 um und Breite 20 um), die an jedes exotherme Widerstandselement 2a angeschlossen waren, ausgebildet.
Dann wurde die Schutzschicht 4 aus SiO&sub2;/Ta (Filmdicke 2 um/0,5 um) durch Sputtern auf dem oberen Teil des Abschnittes, an dem die Elektroden und exothermen Widerstandselemente ausgebildet worden waren, erzeugt. Wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt, wurden dann die Flüssigkeitskanäle 6, eine Flüssigkeitskammer (nicht gezeigt) u.a. mit Trockenfilmen hergestellt. Zuletzt wurde die Ebene B-B, in der die Abgabeöffnungsfläche ausgebildet ist, über eine Trennvorrichtung abgetrennt, um einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zu erhalten, dessen Aufbau in den Figuren 9A und 9B gezeigt ist.
Es wurden dann Drucksignale von 1,1 Vth mit einer Impulsbreite von 10 us an jedes exotherme Widerstandselement gelegt, um Flüssigkeit aus jeder Abgabeöffnung auszustoßen. Die Zykluszahlen der elektrischen Signale wurden bis zum Bruch einer Verdrahtung des exothermen Widerstandselementes gemessen. Auf diese Weise wurde eine Auswertung der Halbzeit durchgeführt. Der Haltbarkeitstest wurde für einen Kopf mit 256 exothermen Widerstandselementen pro Kopf durchgeführt, und der Test wurde in dem Augenblick gestoppt, als eine der Verdrahtungen der exothermen Widerstandselemente brach. Ferner wurde die Oberflächendichte von Partikeln von mehr als 1 um im Durchmesser, die sich auf der Oberfläche der Wärmespeicherschicht entwickelt hatten, gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die in Tabelle 4 aufgeführte erforderliche Gesamtzeit stellt die Summe der Zeiten dar, die zur Durchführung der thermischen Oxidation und der nachfolgenden Prozesse erforderlich ist.

[Vergleichsbeispiel 2-1]

In der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 2-1 wurde ein Substrat aus polykristallinem Silicium über ein Gieß verfahren hergestellt, und es wurde eine Wärmespeicherschicht auf der Oberfläche dieses Substrates aus polykristallinem Silicium durch eine Behandlung bei 1150ºC über 14 h ausgebildet, um auf diese Wise ein Substrat herzustellen, das so wie es ist fur einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf verwendet werden konnte. Bei Messung mit einem Sondenrauhigkeitsmesser wurde festgestellt, daß die Oberflächendifferenz der Wärmespeicherschicht etwa 130 nm im Maximum betrug. Unter Verwendung dieses Substrates wurde ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 2-1 hergestellt. Dann wurde mit den gleichen Vorgängen wie bei der Ausführungsform 2-1 der Ausstoßhaltbarkeitstest für diesen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf durchgeführt. Auch die Oberflächenpartikeldichte wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.

[Vergleichsbeispiel 2-2]

In der gleichen Weise wie bei Ausführungsform 2-1 wurde ein Substrat aus polykristallinem Silicium über ein Gießverfahren hergestellt, und es wurde eine Wärmespeicherschicht auf der Oberfläche dieses Substrates aus polykristallinem Silicium durch Behandlung bei 1150ºC über 12 h ausgebildet. Dann wurde über Vorspannungssputtern SiO&sub2; auf der Oberfläche der Wärmespeicherschicht abgeschieden, um ein Substrat herzustellen, das für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf verwendet werden konnte. Bei Messung des Substrates mit einem Sondenrauhigkeitsmesser wurde keine signifikante Differenz gegenüber der Oberflächendifferenz der Wärmespeicherschicht vor der thermischen Oxidation festgestellt. Unter Verwendung dieses Substrates wurde ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 2-1 hergestellt. Dann wurde über die gleichen Vorgänge wie bei Ausführungsform 2-1 der Ausstoßhaitbarkeitstest für diesen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf ausgeführt. Auch die Oberflächenpartikeldichte wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4 Tabelle 4 (Fortszetzung)
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, entsteht ein früherer Kavitationsbruch, wenn ein Substrat aus polykristailinem Silicium verwendet wird, das über die herkömmliche Technik hergestellt wurde und einen Niveauunterschied auf seiner Oberfläche oder viele darin enthaltenen Partikel aufweist, und wenn ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unter Verwendung dieses Substrat aus polykristallinem Silicium hergestellt wird. Wenn im Gegensatz dazu ein Substrat aus polykristallinem Silicium verwendet wird, das durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit eingeebneter Oberflächendifferenz hergestellt wurde, und wenn ein Flussigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unter Verwendung dieses Substrates aus polykristallinem Silicium hergestellt wird, tritt überhaupt kein Kavitationsbruch auf.
Durch die obigen Ergebnisse wurde bestätigt, daß ein Substrat aus polykristallinem Silicium thermisch oxidiert und dann darauf ein SiO&sub2;-Film über das Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Filmerzeugungsverfahren ausgebildet wurde, um das Substrat einzuebnen, obwohl die Einebnung auch über einige andere Verfahren stattfinden kann, und daß ein unter Verwendung eines derartigen Substrates hergestellter Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf wünschenswerte Eigenschaften insbesondere in bezug auf den Wärmehaltbarkeitstest (Abgabe-Haltbarkeitstest) im Vergleich zu einigen anderen Filmerzeugungsverfahren besitzt.
Es wurde eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausgestaltung der exothermen Abschnitte und der Aufbau der Schutzschicht u.a. sind jedoch nicht auf die in den entsprechenden Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Auch die Ausbildung des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes ist nicht auf die in Figur 12 gezeigte Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise ist das in den Figuren 9A und 9B gezeigte Beispiel so ausgebildet, daß die Richtung, in der die Flüssigkeit von den Abgabeöffnungen ausgestoßen wird, und die Richtung, in der die Flüssigkeit der Stelle in den Flüssigkeitskanälen zugeführt wird, an der die exothermen Abschnitte für die Elemente zur Erzeugung von thermischer Energie vorgesehen sind, im wesentlichen einander entsprechen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann sie bei einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf Anwendung finden, bei dem sich die vorstehend erwähnten beiden Richtungen voneinander unterscheiden (beispielsweise im wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind).
Es wird nunmehr ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit Filmen beschrieben, die durch das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet wurden, und zwar willkürlich für eine Isolation zwischen Schichten, für einen Schutz o.ä. Die für die vorliegende Ausführungsform verwendete Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Vorrichtung ist die gleiche wie die für dievorstehenden Ausführungsformen verwendete, die in Verbindung mit Figur 11 beschrieben wurde. Figur 4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau des Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zeigt, der unter Verwendung der Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Vorrichtung gemäß Figur 11 hergestellt wurde.
Der grundlegende Aufbau des Substrates für einen Flussigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß Figur 4 entspricht im wesentlichen dem eines herkömmlichen Substrates gemäß Figur 12 mit einer zwei Schichten aufweisenden Verdrahtungsschicht vom Matrixtyp. Mit anderen Worten, eine erste Wärmespeicherschicht 202a aus SiO&sub2; ist auf einem Siliciumsubstrat 201 ausgebildet. Auf einem oberen Teil hiervon ist eine untere Verdrahtungsschicht 203 aus Aluminium in Querrichtung ausgebildet, um Heizelemente (exotherme Abschnitte) in einer Matrix anzutreiben. Die obere Ebene der ersten Wärmespeicherschicht 202a mit der ausgebildeten unteren Verdrahtungsschicht 203 ist mit einer zweiten Wärmespeicherschicht (Isolationsfilm zwischen den Schichten) 202b aus SiO&sub2; bedeckt. Hierauf sind nacheinander abgeschieden eine exotherme Widerstandsschicht 204, die die exothermen Abschnitte bildet, und eine Aluminiumelektrodenschicht 205. Des weiteren sind eine SiO&sub2;-Schutzschicht 206 und eine Antikavitationsschicht 207 aus Tantal u.a. abgeschieden. Die zweite Wärmespeicherschicht 202b und die Schutzschicht 206 sind durch das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden und ausgebildet.
Es werden nunmehr die Ergebnisse des Eignungstestes der durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildeten SiO&sub2;-Schicht für das Substrat eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes beschrieben.

[Test 1 (Basistest)]

Eine für das vorstehend beschriebene Substrat eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes verwendete SiO&sub2;-Schicht wurde unter den in Tabelle 5 aufgeführten Bedingungen hergestellt. In diesem Fall wurde die SiO&sub2;-Schicht abgeschieden, um beispielsweise den abgestuften Abschnitt der vorstehend erwähnten unteren Verdrahtungsschicht 203 abzudecken. Tabelle 5 Filmerzeugungsbedingungen
In diesem Fall wurde eine Filmerzeugungsgeschwindigkeit von 350 nm/min erhalten. Bei Auswertung des auf diese Weise ausgebildeten SiO&sub2;-Filmes wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

(1) Ausbildung des abgestuften Abschnittes:

Die Form entspricht der von Figur 5. Der SiO&sub2;-Film 310 flacht den abgestuften Abschnitt der Aluminiumverdrahtung 309 ab und besitzt eine entsprechende Konfiguration wie der durch Vorspannungsputtern erzeugte Film.

(2) Filmqualität im abgestuften Abschnitt:

Die Schnittfläche des geformten Substrates wurde mit einer Ätzlösung aus Fluorwasserstoffsäure sanft geätzt. Bei Beobachtung mit einem SEM (Rasterelektronenmikroskop) wurden weder Risse noch Streifen beobachtet. Mit anderen Worten, die Filmqualität im abgestuften Abschnitt und im ebenen Abschnitt ist vollständig gleich.

(3) Filmqualität:

Mit der obigen Ätzlösung wurde das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten in bezug auf einen thermisch oxidierten SiO&sub2;-Film ermittelt. Das Ergebnis ist 1,4 mal so groß, und es handelt sich um einen Dünnfilm, der sehr eng am SiO&sub2;- Film anliegt, der durch thermische Oxidation hergestellt wurde.

(4) Brechungsfaktor:

Bei Beobachtung mit einem Ellipsometer (Lichtquelle: He-Ne, Laserwellenlänge: 632,8 nm) wurde ein Brechungsfaktor von 1,48 bis 1,50 festgestellt, der geringfügig größer ist als der thermisch oxidierte SiO&sub2;-Film (1,46).

(5) O/Si-Atomverhältnis:

Über eine EPMA (Kleinanalyse mit elektronischer Sonde) wurde das O- und Si-Atomverhältnis quantitativ ermittelt. Der Wert O/Si betrug 2,0. Die Probe kann als vollständig aus SiO&sub2; bestehend angesehen werden.

(6) Spannungen:

Die Spannungen wurden auf der Basis der Verformungsgröße des Substrates gemessen. Dabei wurde eine Druckspannung von - 5 x 10&sup9; dyn/cm² festgestellt.

[Test 2 (Test als Schutzfilm)]

Unter den gleichen Bedingungen wie bei Test 1 wurde eine SiO&sub2;-Schutzschicht 206 über 1,0 um abgeschieden, wonach hierauf Tantal über 600 nm als Antikavitationsschicht 207 abgeschieden wurde. Auf diese Weise wurde ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf hergestellt. Unter Verwendung dieses Substrates für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf wurde versuchsweise ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf hergestellt und dessen Haltbarkeit untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß diese Probe Eigenschaften aufwies, die denen des gegenwärtigen Produktes entsprachen, d.h. dem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit SiO&sub2;-Film, der durch das Vorspannungssputterverfahren hergestellt wtirde, und zwar im Stufenspannungstest, Festspannungstest und im Ausstoß-Haltbarkeitstest. In bezug auf die Haltbarkeit besteht überhaupt kein Problem.

[Test 3 (Test als Isolationsfilm zwischen Schichten)]

Unter den gleichen Bedingungen wie in Test 1 wurde ein Isolationsfilm zwischen Schichten, d.h. die zweite Wärmespeicherschicht 202b in Figur 4, in einer Dicke von 1,2 um abgeschieden. Im nachfolgenden Verfahren wurde ein Substrat in der gleichen Weise wie das herkömmliche Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf hergestellt, um auf diese Weise versuchsweise einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf zu produzieren (der SiO&sub2;-Schutzfilm 206 wurde über das Vorspannungssputterverfahren ausgebildet).
Dann wurde die Isolationsbruchfestigkeit eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes gemessen. Diese Isolationsbruchfestigkeit ist die Bruchfestigkeit des Isolationsfilmes zwischen Schichten, d.h. der zweiten Wärmespeicherschicht 202b. Die Isolationsbruchfestigkeit betrug 500 V, welcher Wert etwa der des über das Vorspannungssputterverfahren hergestellten SiO&sub2;-Filmes entspricht. Im Vergleich zu der Isolationsbruchfestigkeit (etwa 1000 V) des über das Plasma-CVD-Verfahren hergestellten Filmes ist dies ein niedriger Wert. Der niedrige Wert ist jedoch auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Filmdicke des SiO&sub2;-Filmes am abgestuften Abschnitt auf der zweiten Wärmespeicherschicht 202b wesentlich dünner wird, wenn die Vorspannung angelegt wird. Dies stellt jedoch kein Problem in bezug auf die Filmqualität dar.
Wenn die zweite Wärmespeicherschicht 202b mit Hilfe des Plasma-CVD-Verfahrens als SiO&sub2;-Film ausgebildet wird, ist die zum Ätzen der Seitenwand des abgestuften Abschnittes erforderliche Zeit mehr als viermal so groß wie die zum Ätzen des ebenen Abschnittes benötigte Zeit, wenn die exotherme Widerstandsschicht 204, die auf dieser zweiten Wärmespeicherschicht 202b abgeschieden wird, durch RIE (Reaktivionenstrahlätzen) zur Ausbildung des Musters trockengeätzt wird. Im Gegensatz dazu war die zum Ätzen dieses versuchsweise geformten Filmes benötigte Zeit nur 1,5 mal so groß. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß der abgestufte Abschnitt geneigt ist, wie in Figur 5 gezeigt. Daher benötigt man sogar zum anisotropen Ätzen, wie beispielsweise durch RIE, nicht so viel Zeit. Auch in bezug auf die durch den exöthermen Abschnitt verursachten wiederholten thermischen Spannungen zeigt die Probe eine ausreichende Haltbarkeit, und es gibt keine Probleme in bezug auf die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes (gleiche Haltbarkeit wie der durch das Vorspannungssputterverfahren hergestellte SiO&sub2;- Film).
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der durch das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren hergestellte SiO&sub2;-Film im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie ein durch das Vorspannungssputterverfahren hergestellter Film, wenn er als Isolationsfilm zwischen Schichten verwendet wird.
Die folgenden zwei Punkte stellen die Hauptunterschiede zwischen dem Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren und dem Vorspannungssputterverfahren dar:

(1) Geringere Erzeugung von Partikeln

Wenn Partikel im SiO&sub2;-Film auf der exothermen Oberfläche vorhanden sind, besteht die Neigung zum Auftreten von Rissen in einem solchen Abschnitt des SiO&sub2;-Filmes, in dem die Partikel vorhanden sind, und zwar durch Kavitationsbeschädigungen, die aus dem wiederholten Ausstoßen resultieren, obwohl eine wirksame Isolation zwischen der Tinte und den Heizelementen im Anfangsstadium vorhanden ist. Wenn Risse auftreten, dringt Tinte in derartige gerissene Abschnitte ein und verursacht auf den Heizabschnitten elektrolytische Korrosion. Ferner kann der vorstehende Teil eines Partikels zum Zeitpunkt der Blasenbildung der Tinte einen Blasenbildungskeim darstellen und somit in einigen Fällen ein beständiges Filmsieden verhindern. Die Größe eines derartigen Partikeis auf dem exothermen Abschnitt muß geringer sein als 1 um im Durchmesser. Ferner muß die Dichte von derartigen Partikeln niedrig gehalten werden.
Bei einem Film, der über das Vorspannungssputtern hergestellt worden ist, kann die Dichte der Pärtikel nicht auf mehr als etwa 5 Stücke/cm² verringert werden, selbst wenn die Filmerzeugungskammer gereinigt ist. Die Vorspannungssputterbedingungen sind in diesem Fall wie folgt: Filmerzeugungsfaktor auf der Kathodenseite: 180 nm/min; Atzfaktor auf der Vorspannungsseite: 30 nm/min und Gesamtfilmerzeugungsgeschwindigkeit: 150 nm/min. Die Filmerzeugungsgeschwindigkeit und die Partikeldichte sind zwangsläufig miteinander verknüpft. Wenn die Filmerzeugungsgeschwindigkeit erhöht wird, steigt das Bearbeitungsvermögen an, nimmt jedoch auch die Zahl der Partikel zu. Dies ist auf die abnorme Entladung zurückzuführen, die erzeugt wird, wenn Hochfrequenzenergie großen Ausmaßes an das Target gelegt wird.
Im Gegensatz dazu befinden sich bei dem Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Verfahren nur O&sub2;-Gas oder ein Mischgas aus O&sub2; und Ar in der Plasmaerzeugungskammer, und die SiO&sub2;-Filmerzeugung resultiert aus der Reaktion zwischen dem O&sub2;-Gas und dem SiH&sub4;-Gas. Wenn daher nur das Innere der Filmerzeugungskammer sauber gehalten wird, können kaum Partikel erzeugt werden. Nach den Testergebnissen kann die Erzeugung von Partikeln auf einen Wert von 1/10 des Wertes bei Durchführung des Vorspannungssputterns reduziert werden. Darüber hinaus wird die Filmerzeugungskammer durch die anhaftenden Partikel verunreinigt, wenn die Filmerzeugung wiederholt durchgeführt wird, wobei es schwierig ist, das Innere der Kammer vollständig zu reinigen, da eine Innenreinigung durch das Vorhandensein des Targets und der Targetabschirmung kompliziert ist. Andererseits kann bei dem ECR-Plasma- CVD-Verfahren die Filmerzeugungskammer ziemlich einfach ausgebildet werden, indem nur ein Substrathalter in der Kammer angeordnet wird. Der größte Teil der Partikel haftet nur in der Nachbarschaft des Substrathalters, so daß es einfach ist, das Innere der Kammer zu reinigen. Wenn CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; oder ein ähnliches Gas anstelle des O&sub2;-Gases als Plasma eingeführt wird, ist es auch möglich, die an der Innenseite der Filmerzeugungskammer haftenden Filme wegzuätzen. Was eine einfachere Reinigung anbetrifft, so ist dieses Verfahren somit in bezug auf die Reduzierung der Zahl der Partikel, die das Problem hinsichtlich der Haltbarkeit des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes erzeugen, ausgezeichnet.

(2) Höhere Filmerzeugungsgeschwindigkeit

Wie in Verbindung mit Test 1 beschrieben, beträgt die Filmerzeugungsgeschwindigkeit bei dem Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Verfahren 350 nm/min, während im Falle des Sputterverfahrens 200 nm/min bei der gegenwärtigen Technik als Maximum angesehen werden, weil dann, wenn die an die Kathode (Target) gelegte Hochfrequenzenergie zu stark erhöht wird, das Target bricht oder eine abnorme Entladung erzeugt wird. Es ist daher für das Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Verfahren möglich, Filme mit einer geringeren Anzahl von Partikeln bei hohen Geschwindigkeiten zu erzeugen.

[Test 4 (Änderungen der Vorspannungsenergie)]

Es werden nunmehr die Ergebnisse der Filmerzeugung durch Änderung der Vorspannungsenergie in der Mitte bei Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahrens beschrieben. Die Vorspannung wird bei Beginn der Filmerzeugung auf 1 kW eingestellt. Dann wird in der gleichen Weise wie bei Test 1 eine SiO&sub2;-Schutzschicht 206 ausgebildet. Wenn der Film eine Dicke von 0,5 um hat, wird die Vorspannung auf 500 W verändert, um die Filmerzeugung um weitere 0,5 um durchzuführen. Die Filmerzeugungsbedingungen sind in der folgenden Tabelle 6 aufgeführt. Tabelle 6 Bedingungen der Filmerzeugung
Es wurde ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unter Verwendung des auf diese Weise erhaltenen Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf hergestellt. In bezug auf seine Eigenschaften sowie seine Haltbarkeit gibt es keinen Unterschied. Es war ein ausgezeichneter Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf erhältlich. Als die Vorspannungsenergie 1 kW betrug, war die Filmerzeugungsgeschwindigkeit 350 nm/min. Bei 0,5 kW lag sie bei 450 nm/min. Im Falle von 0,5 kW ist der Durchsatz besser, jedoch wird die Filmqualität des auf der Aluminiumverdrahtung 309&sub1; vorgesehenen SiO&sub2;-Filmes 310&sub1; in den durch gestrichelte Linien angedeuteten Abschnitt schlechter, wie in Figur 7A gezeigt, wenn die Vorspannungsenergie abgesenkt wird. Bei Ätzung mit Hilfe einer Fluorwasserstofflösung ist ein derartiger Abschnitt leicht geätzt. Wenn jedoch, wie in Figur 7B gezeigt, der SiO&sub2;-Film 310&sub2; anfangs mit einer Vorspannungsenergie von 1 kW über der Aluminiumverdrahtung 309&sub2; hergestellt wird, um die Neigung der abgestuften Abschnitte zu vereinfachen, verschlechtert sich die Filmqualität des danach mit einer Vorspannungsenergie von 0,5 kW erzeugten SiO&sub2;-Filmes 310&sub3; selbst in den abgestuften Abschnitten nicht. Es wird somit ein wünschenswerter Film erhalten, und zur gleichen Zeit kann der Durchsatz erhöht werden. Es ist ferner möglich, die Stufenabdeckung zu verbessern. Auf diese Weise wird auch die dielektrische Festigkeit erhöht.

[Test 5 (Ar-Gas-Einführung)]

Wie in Tabelle 7 gezeigt, wurde ein SiO&sub2;-Film mit Einführung von Argon in die Plasmaerzeugungskammer zusätzlich zu Sauerstoff abgeschieden. Tabelle 7 Bedingungen der Filmerzeugung
Die Filmerzeugungsgeschwindigkeit wurde von 350 nm/min, als kein Ar-Gas eingeführt wurde, auf 300 nm/min verändert. Unter diesen Bedingungen wurde eine Schutzschicht 206 mit einer Dicke von 1,0 um abgeschieden und danach eine Antikavitationsschicht 207 aus Tantal ausgebildet. Es wurde somit versuchsweise ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf hergestellt, und ein Stufen-Spannungstest, Festspannungstest und Ausstoß-Haltbarkeitstest wurden durchgeführt, um dessen Eigenschaften auszuwerten. Es gab in jeglicher Hinsicht keinerlei Probleme.
Es wird nunmehr der Unterschied infolge der auf der Vorspannungsseite angelegten Hochfrequenzenergie beim Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren beschrieben. Wenn keine Vorspannung angelegt wird, wird ein Film mit geringer Feiriheit im abgestuften Abschnitt wie bei dem üblichen Plasma-CVD- Verfahren oder Sputterverfahren ausgebildet. Wenn jedoch eine Vorspannung angelegt wird, so daß die Ätzgeschwindigkeit einen Wert von etwa 5 % der Filmerzeugungsgeschwindigkeit erreicht, wird die Filmqualität im abgestuften Abschnitt verbessert. Wenn eine zu große Vorspannung angelegt wird, wird die Filmerzeugungsgeschwindigkeit erniedrigt, und es tritt dann das Problem auf, daß die Abdeckung über dem abgestuften Abschnitt reduziert wird. Es sollte daher in wünschenswerter Weise ein Wert von 5 % bis 50 % der Filmerzeugungsgeschwindigkeit Anwendung finden, wenn keine Vorspannung angelegt wird (Filmerzeugungsgeschwindigkeit: 0,95 bis 0,5).
Aus den Ergebnissen der obigen Tests 1 bis 5 wird deutlich, daß gemäß dem Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren eine SiO&sub2;-Schicht mit einer wünschenswerten Filmqualität für das Substrat eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes mit einer hohen Filmerzeugungsgeschwindigkeit hergestellt werden kann.
Ein derartiger Film, der mit Hilfe des Vorspannungs-ECR- Plasma-CVD-Verfahrens hergestellt wurde, wird für das Substrat eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes verwendet. Die Zusammensetzung dieses Filmes, der durch Durchführung dieses Filmerzeugungsverfahrens hergestellt wurde, kann etwa dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechen.
Tabelle 7 zeigt die Zusammensetzungsverhältnisse, wenn ein SiO&sub2;-Film und ein Si&sub3;N&sub4;-Film bei Durchführung jedes Filmerzeugungsverfahrens hergestellt werden. Tabelle 7
Die entsprechenden Filmerzeugungsbedingungen sind wie folgt: Tabelle 8 Tabelle 9
Aus Tabelle 7 wird deutlich, daß im Vergleich zu anderen Filmerzeugungsverfahren das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD- Verfahren eine geringe Abweichung in seinem Zusammensetzungsverhältnis aufweist.
Wenn dieser Film als Schutzfilm verwendet wird, wird die Isolation zwischen den Schichten weiter verbessert. Es besteht keine Gefahr, daß die Antikavitationsschicht (Ta) und die Elektroden kurzgeschlossen werden. Diese Verbesserung des Isolationsvermögens ist besonders auffällig in den abgestuften Abschnitten. Durch diese Verbesserung des Isolationsvermögens ist es möglich, mögliche Beschädigungen der Verdrahtungselektroden und Heizelemente durch Tintenionen signifikant zu reduzieren.
Wenn dieser Film für eine Wärmespeicherschicht verwendet wird, besteht keine Möglichkeit, daß Kurzschlüsse zwischen den Verdrahtungselektroden und dem Trägerelement u.ä auftreten, selbst wenn das Material des Trägerelementes eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt.
Ein wünschenswertes Zusammensetzungsverhältnis eines für einen derartigen Tintenstrahlaufzeichnungskopf zu verwendenden Filmes beträgt: Für SiO&sub2; O/Si 1.970 bis 2.000 und für Si&sub3;N&sub4; N/Si 1.200 bis 1.333. Zum Erreichen eines derartigen Verhältnisses sind folgende Bedingungen wünschenswert:
Für das Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren:
Mikrowellenenergie: 100 W bis 10 kW
Vorspannungshochfrequenzenergie: 50 W bis 3 kW
Gasdruck: 0,01 PO bis 2 Pa
Gasdurchsatzverhältnis: für SiO&sub2; O&sub2;/SiH&sub4;-Verhältnis mehr als 1,0
für Si&sub3;N&sub4; N&sub2;/SiH&sub4;-Verhältnis mehr als 0,7.
Es wird nunmehr eine Ausführungsform eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Obwohl dieser Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf dem in Verbindung mit den Figuren 9A und 9B beschriebenen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf entspricht, verwendet er als Substrat des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 8 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Hersteliverfahrens für diesen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf.
Für diesen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf wird ein Substrat 9 ausgebildet, wonach auf diesem Substrat eine Deckplatte 5, die einstückig mit Flüssigkeitskanälen 6 und einer Flüssigkeitskammer 10 (in Figur 8 nicht gezeigt) versehen ist, und ein Flüssigkeitszuführeihlaß 9 (nicht in Figur 8 gezeigt) in einem fotolithografischen Prozeß unter Verwendung von Trockenfilmen ausgebildet werden. Hiernach werden durch Durchtrennen an einer Stelle für die Abgabeöffnungen 7 am Vorderende der Flüssigkeitskanäle 6 (entlang den Linien Y-Y' in Figur 8) die Abgabeöffnungen 7 ausgebildet, um diesen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf herzustellen. Jedes der exothermen Widerstandselemente 2a des Substrates 8 für den Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf wird natürlich am Bodenabschnitt des entsprechenden Flüssigkeitskanales 6 angeordnet.
Es wird nunmehr die Funktionsweise dieses Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes beschrieben. Tinte oder eine andere Aufzeichungsflüssigkeit wird der Flüssigkeitskammer 10 von einem Flüssigkeitsspeicher (nicht gezeigt) durch den Flüssigkeitszuführeinlaß 9 zugeführt. Die in die Flüssigkeitskammer 10 eingeführte Aufzeichnungsflüssigkeit wird über das Kapillarphänomen den Flüssigkeitskanälen 6 zugeführt und wird auf stabile Weise an den Abgabeöffnungen 7, die sich am Vorderende der Flüssigkeitskanäle 6 befinden, unter Meniskusbildung gehalten. Durch Anlegen einer Spannung über die Elektroden 3a und 3b wird das exotherme Widerstandselement 2a erregt, um Wärme zu erzeugen. Somit wird Flüssigkeit durch die Schutzschicht 4 erhitzt, um Blasen zu erzeugen. Mit der auf diese Weise erzeugten Blasenbildungsenergie werden Flüssigkeitströpfchen von den Abgabeöffnungen 7 ausgestoßen. Es können 128 oder 256 oder mehr Abgabeöffnungen 7 mit einer hohen Dichte von 16 Stücken/mm ausgebildet werden. Des weiteren kann ein Vollzeilenkopf hergestellt werden, indem eine entsprechende Anzahl vorgesehen wird, um die gesamte Breite des Aufzeichnungsbereiches eines Aufzeichnungsmediums abzudecken.
Mit der vorliegenden Erfindung werden ausgezeichnete Effekte bei Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren erzeugt, insbesondere bei einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf sowie bei einer Aufzeichnungsvorrichtung, die eine Aufzeichnung unter Verwendung von thermischer Energie zur Ausbildung von fliegenden Tröpfchen durchführt.
Was die typische Ausbildung und das Operationsprinzip eines derartigen Verfahrens anbetrifft, so werden vorzugsweise solche verwendet, die unter Nutzung des in den US-PS'en 4 723 129 und 4 740 796 beschriebenen grundlegenden Prinzips realisiert werden können. Dieses Verfahren ist bei einem sogenannten auf Anforderung arbeitenden Aufzeichnungssystem und bei einem Aufzeichnungssystem vom kontinuierlichen Typ anwendbar.
Dieses Aufzeichnungsverfahren sei nachfolgend kurz erläutert. Mindestens ein Antriebssignal, über das Flüssigkeit (Tinte) mit einem raschen Temperaturanstieg über einen Keimbildungssiedepunkt hinaus in Abhängigkeit von einer Aufzeichnungsinformation versehen wird, wird an einen elektrothermischen Wandler gelegt, der auf einer Flüssigkeits (Tinten)-Haltelage oder einem Flüssigkeitskanal angeordnet ist, um durch den elektrothermischen Wandler thermische Energie zu erzeugen und somit ein Filmsieden auf dem thermoaktiven Abschnitt des Aufzeichnungskopfes für die wirksame Ausbildung einer Blase in der Aufzeichnungsflüssigkeit (Tinte) entsprechend jedem Antriebssignal zu erzeugen. Dies ist besonders wirksam für das auf Anforderung arbeitende Aufzeichnungsverfahren. Durch die Herstellung, Entwicklung und Kontraktion der Blase wird die Flüssigkeit (Tinte) durch eine Abgabeöffnung ausgestoßen, um mindestens ein Tröpfchen zu erzeugen. Das Antriebssignal besitzt vorzugsweise die Form eines Impulses, da die Entwicklung und Kontraktion der Blase in einem Moment durchgeführt werden kann. Daher wird die Flüssigkeit (Tinte) mit raschem Ansprechverhalten ausgestoßen. Das Antriebssignal in der Form eines Impulses entspricht vorzugsweise dem der US-PS'en 4 463 359 und 4 345 262. Diesbezüglich ist es möglich, eine ausgezeichnete Aufzeichnung in einem besseren Zustand durchzuführen, wenn die Temperaturanstiegsrate der thermoaktiven Oberfläche so realisiert wird, wie in der US-PS 4 313 124 beschrieben.
Der Aufbau des Aufzeichnungskopfes kann dem in den vorstehend erwähnten US-Patentschriften entsprechen, wobei die Abgabeöffnungen, Flüssigkeitskanäle und elektrothermischen Wandler (lineare Flüssigkeitskanäle oder rechtwinklige Flüssigkeitskanäle) entsprechend kombiniert sind. Die vorliegende Erfindung umfaßt des weiteren eine Konstruktion, bei der der thermoaktive Abschnitt in einem gekrümmten Bereich angeordnet ist, wie in den US-PS'en 4 558 338 und 4 459 600 beschrieben.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung in wirksamer Weise anwendbar bei einer Konstruktion, wie sie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 59-123670 beschrieben ist, bei der ein gemeinsamer Schlitz als Abgabeöffnung für eine Vielzahl von elektrothermischen Wandlern verwendet wird, und bei einer Konstruktion, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 59-138461 beschrieben ist, bei der eine Öffnung zum Absorbieren einer Druckwelle der thermischen Energie entsprechend dem Ausstoßabschnitt geformt ist.
Als Aufzeichnungskopf, für den die vorliegende Erfindung vollständig verwendet werden kann, kann ein Aufzeichnungskopf vom Vollzeilentyp Anwendung finden, der eine Länge besitzt, die der maximalen Breite eines Aufzeichnungsmediums entspricht, auf dem eine Aufzeichnung von einer Aufzeichnungsvorrichtung durchführbar ist. Dieser Vollzeilen-Aufzeichnungskopf kann so ausgebildet sein, daß er entweder eine Vielzahl von Aufzeichnungsköpfen, wie sie in den vorstehend erwähnten Patentschriften offenbart sind, oder einen einstückig ausgebildeten einzigen Vollzeilen-Aufzeichnungskopf umfaßt.
Ferner ist die vorliegende Erfindung anwendbar bei einem als austauschbarer Chip ausgebildeten Aufzeichnungskopf, der elektrisch mit der Hauptvorrichtung verbunden ist und mit Tinte versorgt werden kann, wenn er in der Haupteinheit montiert ist, oder bei einem Aufzeichnungskopf vom Kassettentyp, der einen integrierten Tintenbehälter aufweist.
Es wird ferner bevorzugt, Wiederherstelleinrichtungen für den Aufzeichnungskopf und vorläufige Hilfseinrichtungen für denselben hinzuzufügen, die Bestandteile einer Aufzeichnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Diese Einrichtungen tragen dazu bei, die erfindungsgemäß erzielbaren Effekte stabiler zu machen. Speziell handelt es sich dabei um Verkappungseinrichtungen für den Aufzeichnungskopf, Reinigungseinrichtungen, Druck- oder Saugeinrichtungen, vorläufige Heizeinrichtungen, wie elektrothermische Wandler oder andere Heizelemente als derartige Wandler, oder um eine Kombination von derartigen Elementtypen. Auch kann neben dem regelmäßigen Ausstoß zur Aufzeichnung ein vorläufiger Ausstoßbetrieb vorgesehen sein.
Die vorliegende Erfindung ist extrem wirksam bei einer Vorrichtung, die mindestens eine der nachfolgenden Betriebsweisen aufweist: monochromatischer Betrieb in erster Linie mit Schwarz, Mehrfarbbetrieb mit unterschiedlichen farbigen Tintenmaterialien und/oder Vollfarbbetrieb unter Verwendung eines Farbgemisches. Hierbei kann es sich um eine einstückig ausgebildete Aufzeichnungseinheit oder eine Kombination einer Vielzahl von Aufzeichnungsköpfen handeln.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde die Tinte als Flüssigkeit beschrieben. Es kann sich hierbei auch um ein Tintenmaterial handeln, das sich unter Raumtemperatur verfestigt, jedoch bei Raumtemperatur verflüssigt. Da die Tinte innerhalb einer Temperatur gesteuert wird, die nicht niedriger ist als 30ºC und nicht höher als 70ºC, um deren Viskosität zu stabilisieren und allgemein einen stabilisierten Ausstoß zu erreichen, kann eine solche Tinte verwendet werden, die verflüssigt werden kann, wenn die entsprechenden Aufzeichnungssignale angelegt werden.
Während ein Temperaturanstieg durch thermische Energie durch die zwangsweise Verwendung derartiger Energie als Energie, die zum Verändern des Zustandes der Tinte von fest aufflüssig verbraucht wird, verhindert wird oder Tinte verwendet wird, die sich verfestigt, wenn sie intakt gelassen wird, um eine Tintenverdampfung zu verhindern, kann es auch möglich sein, bei der vorliegenden Erfindung eine Tinte zu verwenden, die nur durch Aufbringung von thermischer Energie verflüssigt wird, wie beispielsweise eine Tinte, die als Tintenflüssigkeit ausgestoßen werden kann, indem sie selbst irgendwo verflüssigt werden kann, wenn thermische Energie mit den Aufzeichnungssignalen aufgebracht wird. Eine derartige Tinte kann bereits mit der Verfestigung begonnen haben, wenn sie ein Aufzeichnungsmedium erreicht.
Für eine derartige Tinte kann es möglich sein, die Tinte als Flüssigkeit oder festes Material in Durchgangslöchern oder Ausnehmungen zurückzuhalten, die in einer porösen Lage ausgebildet sind, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 54-56847 oder der offengelegten japanischen Patentanmeldung 60-71260 beschrieben, um eine Betriebsweise durchzuführen, bei der die Tinte den elektrothermischen Wandlern in einem derartigen Zustand gegenüberliegen kann.
Für die vorliegende Erfindung ist das wirksamste Verfahren für jedes der vorstehend erwähnten Tintenmaterialien ein solches, mit dem das vorstehend beschriebene Filmsiedeverfahren realisiert werden kann.
Figur 11 ist eine perspektivische Ansicht, die die äußere Erscheinungsform eines Beispiels einer Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung (IJRA) zeigt, bei der ein erfindungsgemäß erhältlicher Aufzeichnungskopf als Tintenstrahlkopfkassette (IJC) installiert ist.
In Figur 10 ist mit 120 eine Tintenstrahlkopfkassette (IJC) bezeichnet, die mit einer Düsengruppe versehen ist, mit der Tinte auf die Aufzeichnungsfläche eines Aufzeichnungsbogens ausgestoßen werden kann, der auf eine Platte 124 geführt wird. Mit 116 ist ein Schlitten HC zum Halten der Kassette 120 bezeichnet, der an einen Teil eines Antriebsriemens 118 gekoppelt ist, um die Antriebsenergie eines Antriebsmotors 117 zu übertragen. Der Schlitten kann relativ zu zwei Führungsschäften 119a und 119b gleiten, die parallel zueinander angeordnet sind, so daß sich die Kassette 120 über die gesamte Breite eines Aufzeichnungsbogens hin- und herbewegen kann.
Mit 126 ist eine Kopfwiederherstellvorrichtung bezeichnet, die an einem Ende der Trägerpassage der Kassette 120 angeordnet ist, d.h. an einer Stelle, die beispielsweise ihrer Ausgangsposition gegenüberliegt. Diese Kopfwiederherstellvorrichtung 126 wird durch die Antriebsenergie eines Motors 122 über einen Transmissionsmechanismus 123 betätigt, um die Kassette 120 zu verkappen. Mit der Verkappung für die Kassette 120 mit Hilfe des Verkappungsabschnittes 126A dieser Kopfwiederherstellvorrichtung 126 ist eine in der Kopfwiederherstellvorrichtung 126 angeordnete willkürliche Absaugeinrichtung zum Absaugen von Tinte verknüpft oder eine willkürliche Druckeinrichtung, die im Tintenzuführkanal für die Kassete 120 angeordnet ist und Tinte so unter Druck setzt, daß diese unter Druck ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird Tinte entfernt, die in den Düsen viskoser geworden ist, und es werden andere Wiederherstellbehandlungen in bezug auf den Ausstoß durchgeführt. Wenn keine Aufzeichnung stattfindet, wird die Verkappung zum Schutze der Kassette durchgeführt.
Mit 130 ist ein auf der Seitenfläche der Kopfwiederherstellvorrichtung 126 angeordnetes Blatt aus Silikonkautschuk bezeichnet, das als Wischelement dient. Dieses Blatt 130 wird von einem Blatthalteelement 130A frei kragend gehalten, so daß es vom Motor 122 und vom Transmissionsmechanismus 123 in der gleichen Weise wie die Kopfwiederherstellvorrichtung 126 betätigt werden kann. Es kann mit der Abgabefläche der Kassette 120 gekoppelt werden. Auf diese Weise kann das Blatt 130 in die Bewegungsbahn der Kassette 120 mit einer geeigneten Zeitsteuerung vorstehen, während sich die Kassette 120 in Bet?ieb befindet oder nach der Ausstoßwiederherstellbehandlung unter Verwendung der Kopfwiederherstellvorrichtung 126. Auf diese Weise können Kondenswasser, Feuchtigkeit oder Staubpartikel zusammen mit dem Bewegungsvorgang der Kassette 120 abgewischt werden.
Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion können erfindungsgemäß die nachfolgend beschriebenen Wirkungen erreicht werden.
(1) Es ist möglich, ein Substrat aus polykristallinem Silicium zu verwenden, das, in großen Größen mit einem ausgezeichneten Strahlungsvermögen und niedrigen Kosten durch thermisches Oxidieren des Substrates aus dem polykristallinen Silicium und danach Ausbilden eines SiO&sub2;-Filmes durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Filmerzeugungsverfahrens zur Einebnung hergestellt werden kann. (2) Somit ist es möglich, einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit ausgezeichneter Haltbarkeit bei niedrigen Herstellkosten zu realisieren.
Mit einer durch Durchführung des Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD-Verfahrens auf dem Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf abgeschiedenen SiO&sub2;-Schicht kann eine wünschenswerte Ausgestaltung der abgestuften Verdrahtungsabschnitte sowie eine wünschenswerte Filmqualität erhalten werden, so daß eine glatte Oberflächenform erreicht werden kann. Hierdurch wird die Filmerzeugungsgeschwindigkeit schneller, und der Ausstoß wird mit einer besseren Haltbarkeit stabilisiert. Durch Reduzierung der Vorspannungsenergie in der Mitte der Filmerzeugung ist es möglich, das Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf, das die vorstehend erwähnten Effekte besitzt, mit einem hohen Durchsatz sowie mit einer hohen Ausbeute herzustellen. Durch Steuern der Vorspannungsenergie derart, daß die Filmerzeugungsgeschwindigkeit 0,5 bis 0,95 beträgt, wenn keine Vorspannung zugegeben wird, wird ebenfalls die Filmerzeugungsgeschwindigkeit verbessert sowie die Wirkung erzeugt, daß die Filmqualität im abgestuften Abschnitt verbessert wird.
Es wird ein Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf vorgesehen, das mindestens ein Trägerelement, ein exothermes Widerstandselement, das auf dem Trägerelement angeordnet ist, um thermische Energie zur Abgabe einer Aufzeichnungsflüssigkeit zu erzeugen, und Paare von Verdrahtungselektroden, die in vorgegebenen Intervallen an das exotherme Widerstandselement angeschlossen sind, umfaßt. Ein derartiges Substrat besitzt eine Schicht, die mit einem Film versehen ist, der durch Anwendung eines Vorspannungs- ECR-Plasma-CVD-Verfahrens erzeugt worden ist. Mit der auf diese Weise ausgebildeten Schicht kann eine wünschenswerte Form der abgestuften Abschnitte der Verdrahtung sowie eine wünschenswerte Filmqualität und hierdurch eine Glättung der Oberfläche des Substrates erreicht werden, wodurch ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit ausgezeichneter Haltbarkeit bei niedrigen Herstellkosten realisiert wird, wenn ein derartiges Substrat für die Herstellung des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf verwendet wird.

Claims

1. Substrat für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf (8), der mindestens mit einem Trägerelement (1), einem exothermen Widerstandselement (2; 2a), das auf dem Trägerelement angeordnet ist, um thermische Energie zu erzeugen, die zur Abgabe einer Aufzeichnungsflüssigkeit verwendet wird, und Paaren von Verdrahtungselektroden (3) versehen ist, die in vorgegebenen Intervallen an das exotherme Widerstandselement angeschlossen sind, wobei eine Schutzschicht zum Schützen des Paares der Verdrahtungselektroden und des exothermen Widerstandselementes vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem durch Vorspannungs-ECR-Plasma- CVD abgeschiedenen Film (ib; 202b, 206) auf dem Trägerelement, den Verdrahtungselektroden und/oder dem exothermen Widerstandselement, wobei die Schutzschicht ein durch Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD abgeschiedener Film ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf (8), der mit mindestens einem Trägerelement (1), einem exothermen Widerstandselement (2; 2a), das auf dem Trägerelement angeordnet ist, um thermische Energie zur Abgabe einer Aufzeichnungsflüssigkeit zu erzeugen, Paaren von Verdrahtungselektroden (3), die in vorgegebenen Intervallen an das exotherme Widerstandselement angeschlossen sind, und einer Schicht oder einer Vielzahl von Schichten versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten (ib; 202b, 206) durch ein Vorspannungs-ECR-Plasma-CVD-Verfahren hergestellt wird.

3. Verfahren zum Herstellen eines Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Siliciumoxidschicht ist und daß die Vorspannungsenergie zu Beginn der Filmerzeugung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, der während der Ausbildung der Schicht zur weiteren Durchführung und Vervollständigung der Filmerzeugung reduziert wird.

4. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf unter Verwendung des Substrates für einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1 umfassend Flüssigkeitskanäle, die für die exothermen Abschnitte vorgesehen sind, und Abgabeöffnungen, die leitend an die Flüssigkeitskanäle angeschlossen sind, um Flüssigkeit abzugeben.

5. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 4, bei dem der Aufzeichnungskopf ein Vollzeilen-Aufzeichnungskopf ist, der eine Vielzahl von Abgabeöffnungen zum Abdecken der gesamten Breite des Aufzeichnungsbereiches eines Aufzeichnungsmediums aufweist.

6. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung mit einem Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 4 und mit Einrichtungen zum Montieren des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes.