JP2004130809A - 金属ノズルプレートを有した一体型インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属ノズルプレートを有した一体型インクジェットプリントヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 インクチャンバ、マニホルド及びインクチャンネルが形成された基板と、基板上に積層された多数の保護層及び保護層上に積層される熱発散層を含み、インクチャンバからインクの吐出されるノズルが貫通して形成されたノズルプレートと、ノズルプレートの保護層間に設けられるヒータ及び導体と、を備えるインクジェットプリントヘッドである。前記熱発散層にはノズルの上部が形成され、前記熱発散層はヒータ及びその周辺の熱を外部に発散させるために熱伝導性のある金属物質よりなる。そして、前記ノズルプレートは基板上に一体に構成され、前記熱発散層は電気メッキによって比較的厚く形成される。
【選択図】 図５
【解決手段】 インクチャンバ、マニホルド及びインクチャンネルが形成された基板と、基板上に積層された多数の保護層及び保護層上に積層される熱発散層を含み、インクチャンバからインクの吐出されるノズルが貫通して形成されたノズルプレートと、ノズルプレートの保護層間に設けられるヒータ及び導体と、を備えるインクジェットプリントヘッドである。前記熱発散層にはノズルの上部が形成され、前記熱発散層はヒータ及びその周辺の熱を外部に発散させるために熱伝導性のある金属物質よりなる。そして、前記ノズルプレートは基板上に一体に構成され、前記熱発散層は電気メッキによって比較的厚く形成される。
【選択図】 図５
Description
本発明はインクジェットプリントヘッドに係り、より詳細には金属及びノズルプレートが基板上に一体に形成された熱駆動方式の一体型インクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。
一般的にインクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて所定色相の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク液滴の吐出しメカニズムによって大きく２種の方式に分類されうる。第一は、熱源を利用してインクにバブルを発生させてそのバブルの膨張力によってインク液滴を吐出す熱駆動方式のインクジェットプリンタヘッドであり、第二は圧電体を使用してその圧電体の変形によってインクに加えられる圧力によってインク液滴を吐出す圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドである。
前記熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにおけるインク液滴の吐出しメカニズムをより詳細に説明すれば、次のようである。抵抗発熱体よりなるヒータにパルス状の電流が流れれば、ヒータから熱が発生しつつヒータに隣接したインクは約３００℃に瞬間加熱される。これにより、インクが沸騰しつつバブルが生成され、生成されたバブルは膨脹してインクチャンバの内部に充填されたインクに圧力を加える。これによってインク液滴がインクチャンバからノズルを通じて吐出される。
ここで、バブルの成長方向及びインク液滴の吐出し方向によって前記熱駆動方式は再びトップ−シューティング、サイド−シューティング、バック−シューティング方式に分類されうる。トップ−シューティング方式は、バブルの成長方向及びインク液滴の吐出し方向が同じ方式であり、サイド−シューティング方式はバブルの成長方向及びインク液滴の吐出し方向が直角をなす方式であり、そして、バック−シューティング方式はバブルの成長方向及びインク液滴の吐出し方向が相反するインク液滴吐出し方式である。
このような熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドは、一般的に次のような要件を満足しなければならない。第一、可能なかぎりその製造が簡単で製造コストが安くて、大量生産ができなければならない。第二、高画質の画像を得るためには、隣接したノズル間の干渉は抑制しつつ隣接したノズルの間隔は可能なかぎり狭めなければならない。すなわち、ＤＰＩ（Ｄｏｔｓ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）を高めるためには多数のノズルを高密度に配置しなければならない。第三、高速印刷のためには、インクチャンバからインクが吐出された後にインクチャンバにインクがリフィルされる周期を可能なかぎり短くしなければならない。すなわち、加熱されたインク及びヒータの冷却を速くして駆動周波数を高めなければならない。
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドの一例であって、特許文献１に開示されたインクジェットプリントヘッドの構造を示す切開斜視図及びそのインク液滴の吐出し過程を説明するための断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、従来の熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドは、基板１０と、その基板１０上に設置されてインク２９が充填されるインクチャンバ２６を限定する隔壁１４と、インクチャンバ２６内に設置されるヒータ１２と、インク液滴２９’が吐出されるノズル１６が形成されたノズルプレート１８とを備えている。前記ヒータ１２にパルス状の電流が供給されてヒータ１２から熱が発生すればインクチャンバ２６内に充填されたインク２９が加熱されてバブル２８が生成される。生成されたバブル２８は膨張し続け、これによりインクチャンバ２６内に充填されたインク２９に圧力が加えられてノズル１６を通じてインク液滴２９’が外部に吐出される。その後、マニホルド２２からインクチャンネル２４を通じてインクチャンバ２６の内部にインク２９が吸入されてインクチャンバ２６は再びインク２９で充填される。
しかし、このような構造を有した従来のトップ−シューティング方式のインクジェットプリントヘッドを製造するためには、ノズル１６が形成されたノズルプレート１８、インクチャンバ２６及びインクチャンネル２４が、その上に形成された基板１０を別途に製作してボンディングしなければならないので、製造工程が複雑でノズルプレート１８及び基板１０のボンディング時に誤整列の問題が発生する可能性がある短所がある。また、インクチャンバ２６、インクチャンネル２４及びマニホルド２２が平面上に配置されているので、単位面積当りノズル１６の数、すなわちノズルの密度を高めるのに限界があり、これにより速い印刷速度及び高解像度を有したインクジェットプリントヘッドを具現するのが困難である。
最近には、前述したような従来のインクジェットプリントヘッドの問題点を解消するために、多様な構造を有したインクジェットプリントヘッドが提案されており、図２Ａ及び図２Ｂにはその一例として特許文献２に公開された本出願人の米国特許出願に開示された一体型インクジェットプリントヘッドが示されている。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、シリコン基板３０の表面側には半球形のインクチャンバ３２が形成されており、基板３０の背面側にはインク供給のためのマニホルド３６が形成されており、インクチャンバ３２の底にはインクチャンバ３２及びマニホルド３６を連結するインクチャンネル３４が貫通して形成されている。そして、基板３０上には多数の物質層４１，４２，４３が積層されたノズルプレート４０が基板３０と一体に形成されている。ノズルプレート４０にはインクチャンバ３２の中心部に対応する位置にノズル４７が形成されており、ノズル４７の周囲には導体４６に連結されたヒータ４５が配置されている。ノズル４７のエッジにはインクチャンバ３２の深さ方向に延長されたノズルガイド４４が形成されている。前記ヒータ４５から発生した熱は絶縁層４１を通じてインクチャンバ３２の内部のインク４８に伝えられ、これによりインク４８は沸騰されてバブル４９が生成される。生成されたバブル４９は膨脹してインクチャンバ３２内に充填されたインク４８に圧力を加え、これによりインク４８はノズル４７を通じて液滴４８’の形態に吐出される。その後、大気と接触するインク４８の表面に作用する表面張力によって、マニホルド３６からインクチャンネル３４を通じてインク４８が吸入されつつインクチャンバ３２に再びインク４８が充填される。
前述したような構造を有した従来の一体型インクジェットプリントヘッドにおいては、シリコン基板３０及びノズルプレート４０が一体に形成されて製造工程が簡単で誤整列の問題点が解消される長所があり、またノズル４７、インクチャンバ３２、インクチャンネル３４及びマニホルド３６が垂直に配列されることによって、図１Ａに示されたインクジェットプリントヘッドに比べてノズル密度を高める長所がある。
しかし、図２Ａ及び図２Ｂに示された一体型インクジェットプリントヘッドにおいては、ヒータ４５の周囲に形成された物質層４１，４２，４３が電気的な絶縁のために酸化物または窒化物の熱伝導度が低い絶縁物質よりなる。したがって、インク４８の吐出しのために加熱されたヒータ４５、インクチャンバ３２内のインク４８及びノズルガイド４４が初期状態にまで十分に冷却されるには比較的多くの時間が所要されるので、駆動周波数を十分に高めない短所がある。
そして、従来のインクジェットプリントヘッドではノズルプレート４０を構成する物質層は化学気相蒸着工程によって形成されるが、このような蒸着工程によっては物質層を厚く形成し難い。したがって、ノズルプレート４０の厚さが約５μｍ程度に比較的薄くてノズル４７の長さを充分に確保できない短所がある。ノズル４７の長さが短ければ、吐出されるインク液滴４８’の直進性が低下する短所と共に、インク液滴４８’が吐出した後にインク４８の表面のメニスカスがノズル４７内に形成できず、インクチャンバ３２内に侵入することもできて安定した高速印刷を具現し難い。このような問題点を解消するために従来のインクジェットプリントヘッドでは、ノズル４７のエッジにノズルガイド４４を形成させる。しかし、ノズルガイド４４があまり長くなれば、基板３０をエッチングしてインクチャンバ３２を形成し難くなり、またノズルガイド４４によってバブル４９の膨脹が制限される問題点が発生する可能性があるので、ノズルガイド４４によってノズル４７の長さを十分に確保するのには限界がある。
また、従来のインクジェットプリントヘッドでは、ノズル４７の出口側のエッジ部位が鋭く形成されなくて丸く開く形態を有するが、これはインク液滴４８’の吐出し性能の低下及びノズルプレート４０の外側表面がインク４８によって容易に濡れる問題を発生させる一つの原因となる。
一方、図３及び図４には、従来の熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドの他の例が示されている。
図３には、特許文献３に開示されたインクジェットプリントヘッドの構造が示されており、これを参照すれば、基板５０上には加熱要素５１が形成されており、この加熱要素５１は保護層５２によって覆われている。そして、基板５０上には隔壁５４によって限定されるインクチャンバ５３が形成され、インクチャンバ５３の上部にはオリフィス５７が形成されたオリフィスプレート５６が形成されている。そして、基板５０にはインクチャンバ５３の内部にインクを供給するためのインクフィードホール５５が貫通して形成されている。このような構造を有したインクジェットプリントヘッドは、前記隔壁５４及びオリフィスプレート５６を金属メッキによって形成することによって全体構造を一体型に形成できる長所を有する。しかし、図３に示されたインクジェットプリントヘッドは、インクチャンバ５３が基板５０上に形成されて隔壁５４によって限定されるという点及び加熱要素５１がインクチャンバ５３の下部に設けられてトップ−シューティング方法を取るという点で後述する本発明によるインクジェットプリントヘッドとはその構造及びインク吐出し方式において差があり、その製造方法においても差がある。
図４には、特許文献４に開示されたインクジェットプリントヘッドのオリフィスプレートが示されている。図４を参照すれば、オリフィスプレート６０は二つの金属層６１，６２よりなる複合構造になっており、これは加熱要素が設けられた基板とは別途に製作された後に基板上に接着される。したがって、後述する本発明の一体型インクジェットプリントヘッドとは差がある。
米国特許第４,８８２,５９５号明細書
米国特許出願公開第２００２０００８７３８号明細書
米国特許第４，４３８，１９１号明細書
米国特許第４，６９４，３０８号明細書
本発明は前述したような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、その一目的は金属よりなる熱発散層を有したノズルプレートを備えて高い周波数で駆動されうる一体型インクジェットプリントヘッドを提供することである。
そして、本発明の他の目的は、前記一体型インクジェットプリントヘッドを製造する方法を提供することである。
前記課題を達成するために本発明は、表面側には吐出されるインクが充填されるインクチャンバが形成され、背面側には前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホルドが形成され、前記インクチャンバ及び前記マニホルド間にはインクチャンネルが形成された基板と、前記基板上に積層された多数の保護層及び前記保護層上に積層される熱発散層を含み、前記インクチャンバからインクの吐出されるノズルが貫通して形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバの内部のインクを加熱するヒータと、前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記ヒータと電気的に連結されて前記ヒータに電流を印加する導体と、を備え、前記熱発散層は前記ヒータ及びその周辺の熱を外部に発散させるために熱伝導性のある金属物質よりなることを特徴とする一体型インクジェットプリントヘッドを提供する。
ここで、前記保護層は前記基板上に順次に積層された第１保護層、第２保護層及び第３保護層を含み、前記ヒータは前記第１保護層及び前記第２保護層間に設けられ、前記導体は前記第２保護層及び前記第３保護層間に設けられることが望ましい。
そして、前記熱発散層はニッケル、銅及び金のうち何れか一つの金属よりなり、電気メッキによって１０〜１００μｍの厚さに形成されることが望ましい。
また、前記ノズルプレートには前記インクチャンバの上側に配置され、前記ヒータ及び導体から絶縁され、前記基板及び前記熱発散層に接触する熱伝導層が設けられることが望ましい。
前記導体及び前記熱伝導層は、同じ金属物質よりなり、同じ保護層上に設けられることが望ましい。この場合、前記導体及び前記熱伝導層はアルミニウム、アルミニウム合金、金及び銀のうち何れか一つよりなる。
一方、前記導体及び前記熱伝導層間には絶縁層が設けられても良い。
そして、前記ノズルの上部は前記熱発散層に形成される長方向に断面積の変化のない柱状、または出口側に行くほど断面積が狭まるテーパ形状を有しうる。
そして、前記ノズルの下部は、前記基板上に順次に積層された前記保護層を貫通して前記ノズル上部及び前記インクチャンバを連結するように形成されうる。
また、前記ヒータは、前記ノズルを囲む形態に形成されることが望ましい。
また、前記ノズルの下部のエッジには前記インクチャンバの内部に延長されたノズルガイドが形成されうる。
このような本発明のプリントヘッドによれば、厚い金属よりなる熱発散層によって放熱能力が向上してインクの吐出し性能及び駆動周波数が向上する。また、ノズル長を充分に確保できて、メニスカスをノズル内に保持できるので、安定したインクのリフィルが可能であり、吐出されるインク液滴の直進性が向上する。
そして、本発明は前記一構造を有した一体型インクジェットプリントヘッドを製造する方法を提供する。
本発明による一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法は、（ａ）基板を備える段階と、（ｂ）前記基板上に多数の保護層を順次に積層しつつ、ヒータ及び前記ヒータに連結される導体を前記保護層間に形成する段階と、（ｃ）前記保護層上に金属よりなる熱発散層を形成しつつ、インクを吐出すノズルを前記保護層及び前記熱発散層を貫通するように形成し、前記保護層及び前記熱発散層よりなるノズルプレートを前記基板に一体に構成する段階と、（ｄ）前記ノズルを通じて露出された基板をエッチングしてインクが充填されるインクチャンバを形成する段階と、（ｅ）前記基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホルドを形成する段階と、（ｆ）前記マニホルド及び前記インクチャンバ間の前記基板を貫通するようにエッチングしてインクチャンネルを形成する段階と、を備える。
そして、前記（ａ）段階で、前記基板はシリコンウェーハよりなることが望ましい。
前記（ｂ）段階は、前記基板の上面に第１保護層を形成する段階と、前記第１保護層上に前記ヒータを形成する段階と、前記第１保護層及び前記ヒータ上に第２保護層を形成する段階と、前記第２保護層上に前記導体を形成する段階と、前記第２保護層及び前記導体上に第３保護層を形成する段階と、を含むことが望ましい。
また、前記（ｂ）段階で、前記保護層間に前記インクチャンバの上側に配置され、前記ヒータ及び導体から絶縁され、前記基板及び前記熱発散層に接触する熱伝導層を形成することが望ましい。
前記熱伝導層は前記導体と同じ金属物質、望ましくはアルミニウム、アルミニウム合金、金及び銀のうち何れか一つとして同時に形成されうる。
一方、前記導体上に絶縁層を形成した後、前記絶縁層上に前記熱伝導層を形成しても良い。
前記（ｃ）段階で、前記熱発散層はニッケル、銅及び金のうち何れか一つよりなり、電気メッキによって１０〜１００μｍの厚さに形成されうる。
そして、前記（ｃ）段階は、前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、前記下部ノズルの内部に第１犠牲層を形成する段階と、前記保護層のうち最上部の保護層及び第１犠牲層上に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、前記シード層上に上部ノズルを形成するための第２犠牲層を形成する段階と、前記シード層上に前記熱発散層を電気メッキによって形成する段階と、前記第２犠牲層、前記第２犠牲層の下部の前記シード層及び前記第１犠牲層を除去して前記下部ノズル及び前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、を備える。
一方、前記（ｃ）段階は、前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、前記保護層のうち最上部の保護層上及び前記下部ノズルの内部に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、前記下部ノズル内部の前記シード層上に第１犠牲層を形成し、前記第１犠牲層上に上部ノズルを形成するための第２犠牲層を形成する段階と、前記シード層上に前記熱発散層を電気メッキによって形成する段階と、前記第２犠牲層、前記第１犠牲層及び前記第１犠牲層の下部の前記シード層を除去して前記下部ノズル及び前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、を備えても良い。
そして、前記下部ノズルを形成する段階は、前記保護層及び前記基板を異方性エッチングして所定深さのホールを形成する段階と、前記ホールの内面に所定の物質層を蒸着する段階と、前記ホールの底部位に形成された前記物質層をエッチングして前記基板を露出させると同時に前記ホールの側面に前記物質層よりなり、前記下部ノズルを限定するノズルガイドを形成する段階と、を含んでも良い。
また、前記熱発散層を形成する段階後に、前記熱発散層の上面を化学機械的な研磨工程によって平坦化する段階と、をさらに備えることが望ましい。
前記（ｄ）段階は、前記ノズルを通じて露出された前記基板を等方性ドライエッチングすることによってインクを充填できる所定の空間を有する前記インクチャンバを形成することが望ましい。
前記（ｆ）段階は、前記マニホルドが形成された前記基板の背面側で前記基板をＲＩＥ（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によってドライエッチングして前記インクチャンネルを形成することが望ましい。
一方、前記（ｆ）段階は、前記基板の上面側で前記ノズルを通じて前記インクチャンバの底の前記基板をＲＩＥによってドライエッチングして前記インクチャンネルを形成することも望ましい。
前述した本発明の製造方法によれば、インクチャンバ及びインクチャンネルが形成された基板上にノズルが設けられたノズルプレートが一体化されて形成されるので、単一ウェーハ上で一連の工程によってインクジェットプリントヘッドを具現できる。
本発明による一体型インクジェットプリントヘッド及びその製造方法は、次のような効果を有する。
第一、厚い金属よりなる熱発散層によって放熱能力が向上してインク吐出し性能及び駆動周波数を向上させ、高速の印刷時にも過熱による印刷エラー及びヒータの破損のような問題を防止できる。また、ノズルの内部のインクの温度が低くなるので、温度によって敏感に変わるインクの粘度及び表面張力の変化を最小化して安定した高速吐出しを具現できる。
第二、熱発散層の厚さによってノズル長を十分に確保できて、メニスカスをノズル内に保持できるので、安定したインクのリフィルが可能であり、吐出されるインク液滴の直進性が向上できる。
第三、ノズルの上部が金属メッキよりなる熱発散層に形成されるので、ノズルの出口側の端部を鋭く形成できる。これによりインク液滴の吐出し性能が向上し、ノズルプレートの外側表面がインクに濡れる問題点が解消されうる。
第四、インクチャンバ及びインクチャンネルが形成された基板上にノズルが設けられたノズルプレートが一体化されて形成されるので、単一ウェーハ上で一連の工程によってインクジェットプリントヘッドを具現できてインクチャンバ及びノズルが誤整列される従来の問題点が解消される。したがって、インクの吐出し性能及び収率が向上できる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは説明の明瞭性及び便宜上誇張されていることもある。また、一層が基板や他の層上に存在すると説明される時、その層は基板や他の層に直接接しつつ、その上に存在しても、その間に第３の層が存在しても良い。
図５は、本発明の望ましい実施例による一体型インクジェットプリントヘッドの平面構造を示した図面であり、図６は図５に示されたＢ−Ｂ’線に沿う本発明のインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。
図５及び図６を参照すれば、インクジェットプリントヘッドの基板１１０にはその表面側に吐出されるインクが充填されるインクチャンバ１３２が所定深さに形成され、その背面側にはインクチャンバ１３２にインクを供給するためのマニホルド１３６が形成される。
ここで、前記基板１１０には集積回路の製造に広く使われるシリコンウェーハが使用されうる。前記マニホルド１３６は、インクチャンバ１３２の下部に形成され、インクを含んでいるインク貯蔵庫（図示せず）と連結される。
一方、図面にはインクジェットプリントヘッドの単位構造だけ示されているが、チップ状態に製造されるインクジェットプリントヘッドでは多数のインクチャンバ１３２がマニホルド１３６上に一列または２列に配置され、解像度をさらに高めるために３列以上に配置されても良い。
そして、インクチャンバ１３２及びマニホルド１３６間にはそれらを相互連結するインクチャンネル１３４が基板１１０を垂直に貫通して形成される。インクチャンネル１３４はインクチャンバ１３２の底面の中心部に形成され、その断面形状は円形であることが望ましい。一方、インクチャンネル１３４の断面形状は円形でなくても楕円形や多角形の多様な形状を有しうる。また、インクチャンネル１３４はインクチャンバ１３２の中心部ではなくても基板１１０を垂直に貫通してインクチャンバ１３２及びマニホルド１３６を連結できる位置に形成されても良い。
前述したようにインクチャンバ１３２、インクチャンネル１３４及びマニホルド１３６が形成されている基板１１０の上部にはノズルプレート１２０が設けられる。前記ノズルプレート１２０はインクチャンバ１３２の上部壁を構成し、インクチャンバ１３２の中心に対応する位置にはインクチャンバ１３２からインクの吐出されるノズル１３８が垂直に貫通して形成される。
前記ノズル１３８の断面形状は円形であることが望ましい。一方、ノズル１３８の断面形状は円形でなくても楕円形や多角形の多様な形状を有しうる。
前記ノズルプレート１２０は、基板１１０上に積層された多数の物質層よりなる。この物質層は第１及び第２保護層１２１，１２２と、熱伝導層１２４と、第３保護層１２６と、金属よりなる熱発散層１２８を含む。そして、第１及び第２保護層１２１，１２２間にはヒータ１４２が設けられ、第２保護層１２２及び第３保護層１２６間には導体１４４が設けられる。
前記第１保護層１２１は、ノズルプレート１２０を構成する多数の物質層のうち最も下側の物質層であって、基板１１０の上面に形成される。前記第１保護層１２１は、その上に形成されるヒータ１４２及びその下の基板１１０間の絶縁及びヒータ１４２の保護のための物質層であって、シリコン酸化物やシリコン窒化物よりなる。
第１保護層１２１上にはインクチャンバ１３２の上部に位置してインクチャンバ１３２の内部のインクを加熱するヒータ１４２がノズル１３８を囲む形状に形成される。このヒータ１４２は、不純物がドーピングされたポリシリコン、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物、タングステンシリサイドのような抵抗発熱体よりなる。前記ヒータ１４２は、図５に示されたようにノズル１３８を囲む円形のリング形状に形成され、または四角形やひし形に形成されても良い。
前記第２保護層１２２は、第１保護層１２１及びヒータ１４２上に設けられる。前記第２保護層１２２はその上に設けられる熱伝導層１２４及びその下のヒータ１４２間の絶縁及びヒータ１４２の保護のために設けられる。前記第２保護層１２２も第１保護層１２１と同様にシリコン窒化物またはシリコン酸化物よりなる。
第２保護層１２２上にはヒータ１４２と電気的に連結されてヒータ１４２にパルス状の電流を印加する導体１４４が設けられる。前記導体１４４の一端部は第２保護層１２２に形成された第１コンタクトホールＣ１を通じてヒータ１４２に接続され、その他端部は示されていないボンディングパッドに電気的に連結される。そして、前記導体１４４は、導電性が良好な金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀よりなる。
前記熱伝導層１２４は、前記第２保護層１２２上に設けられる。前記熱伝導層１２４はヒータ１４２及びヒータ１４２周辺の熱を基板１１０及び後述する熱発散層１２８に伝導させる機能をするものであって、可能なかぎりインクチャンバ１３２及びヒータ１４２を全て覆い包めるように広く形成されることが望ましい。ただし、熱伝導層１２４及び導体１４４間の絶縁のために、熱伝導層１２４は導体１４４から所定間隔を置いて形成されなければならない。一方、熱伝導層１２４及びヒータ１４２間の絶縁は前述したようにその間に介在された第２保護層１２２によって行われる。そして、熱伝導層１２４は第１保護層１２１及び第２保護層１２２を貫通して形成された第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０の上面に接触する。
前記熱伝導層１２４は熱伝導性が良好な金属よりなる。前述したように熱伝導層１２４が導体１４４と共に第２保護層１２２上に形成される場合には、熱伝導層１２４は導体１４４のような金属物質、すなわちアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀よりなる。
一方、熱伝導層１２４を導体１４４より厚く、または導体１４４とは相異なる金属物質に形成しようとする場合には、導体１４４及び熱伝導層１２４間に示されていない絶縁層が設けられる。
前記第３保護層１２６は、前記導体１４４及び第２保護層１２２上に設けられる。前記第３保護層１２６はＴＥＯＳ酸化物またはシリコン酸化物よりなる。そして、前記熱伝導層１２４及び後述する熱発散層１２８の接触のために、前記第３保護層１２６を前記熱伝導層１２４の上面には可能なかぎり形成しないことが望ましい。
前記熱発散層１２８は、ノズルプレート１２０を構成する多数の物質層のうち最上部の物質層である。前記熱発散層１２８は、熱伝導性が良好な金属物質、例えば、ニッケル、銅または金のような金属よりなる。熱発散層１２８は、第３保護層１２６及び熱伝導層１２４上に前記金属物質を電気メッキすることによって１０〜１００μｍ程度に比較的厚く形成される。このために、第３保護層１２６及び熱伝導層１２４上には前記金属物質の電気メッキのためのシード層１２７が設けられる。前記シード層１２７は、銅、クロム、チタン、金またはニッケルの電気伝導性が良好な金属よりなる。
このように、金属よりなる熱発散層１２８はメッキ工程によって形成されるので、インクジェットプリントヘッドの他の構成要素と一体に形成され、また比較的厚く形成されうるので、効果的な放熱が行われる。前述したように、蒸着工程によれば物質層を厚く形成するのが困難であるので、工程を何回も反復しなければならない短所がある。
このような熱発散層１２８は、ヒータ１４２及びその周辺の熱を外部に発散する機能をする。すなわち、インクが吐出された後にヒータ１４２及びその周辺に残留する熱は熱伝導層１２４を通じて基板１１０及び熱発散層１２８に伝導されて外部に発散される。したがって、インクが吐出された後にさらに速い放熱が行われ、ノズル１３８周囲の温度が低まるので、高い駆動周波数の安定した印刷が可能になる。
下記の表１は色々な構造を有したノズルプレートにおいて、初期状態及び駆動状態におけるノズルの出口側の端部周囲の温度差を表したものである。すなわち、下記のデータはヒータにパルス状の電流を２０kHzの周波数に印加する場合、初期状態から準正常状態に到達した時、ノズルの出口側の端部周囲の温度がどれぐらい上昇するかを解析した結果である。
ここで、ケース１は本発明によって金属よりなる熱発散層及び熱伝導層を備えたノズルプレートの場合であり、ケース２は熱伝導層及びポリマよりなる熱発散層を有したノズルプレートの場合であり、ケース３は熱発散層なしに熱伝導層だけ備えたノズルプレートの場合であり、ケース４は熱伝導層及び熱発散層のない図２Ｂに示された従来のノズルプレートの場合である。
表１を見れば、従来のノズルプレート（ケース４）に比べて本発明によるノズルプレート（ケース１）におけるノズルの出口側の端部周囲の温度上昇が非常に少ないことが分かる。そして、ポリマよりなる熱発散層（ケース２）より本発明のように金属よりなる熱発散層（ケース１）が放熱能力にさらに優れることが分かる。
一方、前述したように熱発散層１２８は比較的厚く形成されうるので、ノズル１３８長を十分に長く確保する。したがって、安定した高速印刷が可能になり、ノズル１３８を通じて吐出されるインク液滴の直進性が向上する。すなわち、吐出されるインク液滴が基板１１０について正確に垂直方向に吐出されうる。
また、ノズル１３８の上部が金属よりなる熱発散層１２０に形成されるので、ノズル１３８の出口側の端部を鋭く形成できる。これにより後述するようにインク液滴の吐出し性能が向上し、ノズルプレートの外側表面がインクに濡れる問題点が解消される。
図７は、ノズル端部の開角によるインク液滴の吐出し性能を示したグラフである。
図７のグラフで、縦軸に示された性能の比率はノズル端部の開角（θ）が０゜である時の液滴速度及び駆動周波数各々についての前記角度（θ）が０゜より大きい時の液滴速度及び駆動周波数各々の比を％に示したものである。
図７のグラフで、縦軸に示された性能の比率はノズル端部の開角（θ）が０゜である時の液滴速度及び駆動周波数各々についての前記角度（θ）が０゜より大きい時の液滴速度及び駆動周波数各々の比を％に示したものである。
図７のグラフを見れば、ノズルの出口側の端部が鋭く形成されるほど、すなわちノズル端部の開角（θ）が小さくなるほど液滴速度及び駆動周波数が次第に高まってインク液滴の吐出し性能が向上することが分かる。
図８Ａ及び図８Ｂは、図６に示されたノズルプレートの変形例を示した垂直断面図である。
図８Ａを参照すれば、ノズルプレート２２０の第１、第２及び第３保護層１２１，１２２，１２６にはノズル２３８の下部２３８ａが柱状に形成される。そして、熱発散層２２８にはノズル２３８の上部２３８ｂが形成されるが、この上部ノズル２３８ｂの形状は出口側に行くほど断面積が狭まるテーパ形状になっている。
前述したように、上部ノズル２３８ｂの形状がテーパ形状である場合には、インクの吐出し後、インク表面のメニスカスがさらに速く安定する長所がある。
図８Ｂを参照すれば、ノズルプレート３２０に形成されたノズル３３８は、第１、第２及び第３保護層１２１，１２２，１２６に形成された柱状の下部ノズル３３８ａと、熱発散層３２８に形成されたテーパ形状の上部ノズル３３８ｂよりなる。そして、下部ノズル３３８ａのエッジにはインクチャンバ１３２の内部に所定長で延長されたノズルガイド３２９が形成される。したがって、下部ノズル３３８ａはノズルガイド３２９によってその長がさらに長くなる。一方、前記ノズルガイド３２９は図６に示されたノズルプレート１２０に形成されたシリンダ形状のノズル１３８にも設けられる。
このように、ノズルガイド３２９が設けられればノズル３３８の全体長がさらに長くなって、ノズル３３８を通じて吐出されるインク液滴の直進性がさらに向上する長所がある。しかし、バブルの膨脹が制限され、製造工程が複雑になる短所がある。
以下では、図９Ａないし図９Ｃを参照して本発明によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明する。下記でインク吐出しメカニズムは、図８Ａに示されたノズルプレートを有したインクジェットプリントヘッドを基準として説明される。
図９Ａを参照すれば、インクチャンバ１３２及びノズル２３８の内部にインク１５０が充填された状態で、導体１４４を通じてヒータ１４２にパルス状の電流が印加されればヒータ１４２から熱が発生する。発生した熱はヒータ１４２下の第１保護層１２１を通じてインクチャンバ１３２の内部のインク１５０に伝えられ、これによりインク１５０が沸騰してバブル１６０が生成される。生成されたバブル１６０は継続的な熱の供給によって膨脹し、これによりノズル２３８の内部のインク１５０はノズル２３８の外部に押し出される。
次いで、図９Ｂを参照すれば、バブル１６０が最大に膨脹された時点で印加した電流を遮断すれば、バブル１６０は収縮して消滅される。この時、インクチャンバ１３２内には負圧がかかってノズル２３８の内部のインク１５０は再びインクチャンバ１３２の方向に戻って来る。これと同時にノズル２３８の外部に押し出された部分は慣性力によって液滴１５０’の形態にノズル２３８の内部のインク１５０と分離されて吐出される。
インク液滴１５０’が分離された後、ノズル２３８の内部に形成されるインク１５０表面のメニスカスはインクチャンバ１３２の方向に後退する。この時、本発明では厚いノズルプレート２２０によって十分に長いノズル２３８が形成されているので、メニスカスの後退はノズル２３８内でだけ行われ、インクチャンバ１３２内にまで後退しない。したがって、インクチャンバ１３２の内部に外気が流入されることが防止され、メニスカスの初期状態への復帰も速くなってインク液滴１５０’の高速吐出しを安定的に保持できる。また、この過程ではインク液滴１５０’の吐出し後、ヒータ１４２及びその周辺に残留した熱が熱伝導層１２４及び熱発散層２２８を通じて伝導されて基板１１０または外部に発散されるので、ヒータ１４２、ノズル２３８及びその周辺の温度がさらに速く低まる。
次いで、図９Ｃを参照すれば、インクチャンバ１３２の内部の負圧が消えれば、ノズル２３８の内部に形成されているメニスカスに作用する表面張力によってインク１５０は再びノズル２３８の出口端部方向に上昇する。この時、ノズル２３８の上部２３８ａがテーパ形状である場合には、インク１５０の上昇速度がさらに速くなる長所がある。これによりインクチャンバ１３２の内部はインクチャンネル１３４を通じて供給されるインク１５０で再び充填される。インク１５０のリフィルが完了して初期状態に復帰すれば、前述した過程が反復される。この過程でも、熱伝導層１２４及び熱発散層２２８を通じて放熱が行われて熱的にも初期状態への復帰がさらに速くなる。
以下では、前述したような構造を有した本発明による一体型インクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を説明する。
図１０ないし図２０は、図８Ａに示されたノズルプレートを備えた本発明による一体型インクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図であり、図２１はシード層及び犠牲層を形成する他の方法を説明するための図面である。一方、図６に示されたノズルプレートを備えたインクジェットプリントヘッドの製造方法もノズルプレートに形成されるノズルの形状を除いては後述する製造方法と同じである。
図１０を参照すれば、本実施例で基板１１０にはシリコンウェーハを約３００〜５００μｍ程度の厚さに加工して使用する。シリコンウェーハは、半導体素子の製造に広く使われるものであって、大量生産に効果的である。
一方、図１０に示されたものは、シリコンウェーハの極めて一部を示したものであって、本発明によるインクジェットプリントヘッドは一つのウェーハで数十ないし数百のチップ状態に製造されうる。
そして、備えられたシリコン基板１１０の上面に第１保護層１２１を形成する。前記第１保護層１２１は基板１１０の上面にシリコン酸化物またはシリコン窒化物を蒸着することによって形成されうる。
次いで、基板１１０の上面に形成された第１保護層１２１上にヒータ１４２を形成する。前記ヒータ１４２は第１保護層１２１の全表面に不純物がドーピングされたポリシリコン、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物またはタングステンシリサイドのような抵抗発熱体を所定厚さに蒸着した後、これをパターニングすることによって形成されうる。具体的に、ポリシリコンは不純物であって、例えば、リン（Ｐ）のソースガスと共に低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって約０.７〜１μｍの厚さに蒸着され、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物またはタングステンシリサイドはスパッタや化学気相蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって約０.１〜０.３μｍの厚さに蒸着されうる。この抵抗発熱体の蒸着厚さは、ヒータ１４２の幅及び長さを考慮して適正な抵抗値を有するように他の範囲にしても良い。第１保護層１２１の全表面に蒸着された抵抗発熱体は、フォトマスク及びフォトレジストを利用した写真工程及びフォトレジストパターンをエッチングマスクとしてエッチングするエッチング工程によってパターニングされうる。
次いで、図１１に示されたように、第１保護層１２１及びヒータ１４２の上面に第２保護層１２２を形成する。具体的に、第２保護層１２２は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を約０.５〜３μｍの厚さに蒸着することによって形成されうる。次いで、第２保護層１２２を部分的にエッチングしてヒータ１４２の一部分、すなわち図１２の段階で導体１４４と接続する部分を露出させる第１コンタクトホールＣ１を形成し、第２保護層１２２及び第１保護層１２１を順次にエッチングして基板１１０の一部分、すなわち図１２の段階で熱伝導層１２４と接触する部分を露出させる第２コンタクトホールＣ２を形成する。前記第１及び第２コンタクトホールＣ１，Ｃ２の形成は同時に行われる。
図１２は、第２保護層１２２の上面に導体１４４及び熱伝導層１２４を形成した状態を示した図面である。具体的に、導体１４４及び熱伝導層１２４は電気及び熱伝導性が良い金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀をスパッタによって約１μｍの厚さに蒸着し、これをパターニングすることによって同時に形成されうる。この時、導体１４４及び熱伝導層１２４は相互絶縁されるように形成される。これにより、導体１４４は第１コンタクトホールＣ１を通じてヒータ１４２と接続し、熱伝導層１２４は第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０と接触する。
一方、熱伝導層１２４の厚さを導体１４４より厚くするか、あるいは熱伝導層１２４を構成する金属物質を導体１４４とは相異なる金属にしようとする場合、または導体１４４及び熱伝導層１２４をさらに完全に絶縁させようとする場合には、導体１４４を形成した後に熱伝導層１２４を形成できる。より詳細に説明すれば、図１１の段階で第１コンタクトホールＣ１だけ形成して導体１４４だけ形成した後、導体１４４及び第２保護層１２２上に絶縁層（図示せず）を形成する。絶縁層も第２保護層１２２と同じ物質で同じ方法によって形成できる。次いで、絶縁層、第２及び第１保護層１２２，１２１を順次にエッチングして第２コンタクトホールＣ２を形成する。そして、熱伝導層１２４を前述した方法と同じ方法に形成する。これにより、導体１４４及び熱伝導層１２４間に絶縁層が介在される。
図１３は、図１２の結果物の全表面に第３保護層１２６を形成した状態を示したものである。具体的に、第３保護層１２６は、ＴＥＯＳ酸化物をプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって約０.７〜３μｍ程度の厚さに蒸着することによって形成されうる。次いで、第３保護層１２６を部分的にエッチングして熱伝導層１２４を露出させる。
図１４は、下部ノズル２３８ａを形成した状態を示したものである。下部ノズル２３８ａはヒータ１４２の内側の第３保護層１２６、第２保護層１２２及び第１保護層１２１をヒータ１４２の内側の境界を外れない断面形状にＲＩＥによって順次にエッチングすることによって形成されうる。
次いで、図１５に示されたように、下部ノズル２３８ａの内部に第１犠牲層ＰＲ１を形成させる。具体的に、図１４の結果物の全表面にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングして下部ノズル２３８ａの内部に充填されたフォトレジストだけ残す。残されたフォトレジストは第１犠牲層ＰＲ１を形成して以後の工程で下部ノズル２３８ａの形態を保持させる。次いで、前記段階の結果物の全表面に電気メッキのためのシード層１２７を形成する。前記シード層１２７は電気メッキのために導電性が良好なＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｕまたはＮｉのような金属をスパッタによって約５００〜３０００Åの厚さに蒸着することによって形成されうる。一方、前記シード層１２７は、複数の金属層よりなり、この場合に前記複数の金属層各々はＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｕまたはＮｉのような金属を蒸着することによって形成されうる。
図１６は、上部ノズルを形成するための第２犠牲層ＰＲ２を形成した状態を示したものである。具体的に、シード層１２７の全表面にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングして上部ノズル（図１８の２３８ｂ）が形成される部位にだけフォトレジストを残存させる。残されたフォトレジストは上側に行くほどその直径が次第に短くなるテーパ形状に形成されて以後の工程で上部ノズル２３８ｂを形成させるための第２犠牲層ＰＲ２の役割をする。
一方、図６に示された柱状のノズル１３８を形成しようとする場合には、前記第２犠牲層ＰＲ２を柱状に形成する。
そして、前記第１犠牲層ＰＲ１及び第２犠牲層ＰＲ２は、フォトレジストだけでなく感光性ポリマよりなることもある。
次いで、図１７に示すように、シード層１２７の上面に所定厚さの金属物質よりなる熱発散層２２８を形成する。熱発散層２２８は、熱伝導性が良好な金属、例えばＮｉ、ＣｕまたはＡｕをシード層１２７の表面に電気メッキさせて約１０〜１００μｍの厚さに形成されうる。電気メッキ工程は第２犠牲層ＰＲ２の高さより低くて所望の上部ノズル２３８ｂの出口断面が形成される高さまで熱発散層２２８が形成される時点で終了される。この熱発散層２２８の厚さは上部ノズル２３８ｂの断面積及び断面形状、基板１１０及び外部への放熱能力を考慮して適正に決められる。
電気メッキが完了した後の熱発散層２２８の表面は、その下に形成された物質層によって凹凸を有する。したがって、ＣＭＰ（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって熱発散層２２８の表面を平坦化できる。
次いで、上部ノズル形成用の第２犠牲層ＰＲ２と、第２犠牲層ＰＲ２下のシード層１２７と、下部ノズル保持用の第１犠牲層ＰＲ１を順次にエッチングする。これにより、図１８に示されたように下部ノズル２３８ａ及び上部ノズル２３８ｂが連結されて完全なノズル２３８が形成され、多数の物質層が積層されたノズルプレート２２０が完成される。
一方、前記ノズル２３８及び熱発散層２２８は、次のような段階を経て形成されても良い。図２１を参照すれば、下部ノズル２３８ａの保持のための第１犠牲層ＰＲ１を形成する前に、図１４の結果物の全面に電気メッキのためのシード層１２７’を形成する。次いで、前記第１犠牲層ＰＲ１及び第２犠牲層ＰＲ２を順次に形成したり、または一体に形成する。次いで、図１７に示されたように熱発散層２２８を形成させた後、ＣＭＰによって熱発散層２２８の表面を平坦化させる。次いで、共に形成された第２犠牲層ＰＲ２、第１犠牲層ＰＲ１及び第１犠牲層ＰＲ１の下部のシード層１２７’をエッチングすれば、図１８に示されたようなノズル２３８及びノズルプレート２２０が形成されうる。
図１９は、基板１１０の表面側に所定深さのインクチャンバ１３２を形成した状態を示したものである。インクチャンバ１３２は、ノズル２３８によって露出された基板１１０を等方性エッチングすることによって形成できる。具体的に、ＸｅＦ２ガスまたはＢｒＦ３ガスをエッチングガスとして使用して基板１１０を所定時間ドライエッチングする。これにより、示されたように、深さ及び半径が約２０〜４０μｍである半球形のインクチャンバ１３２が形成される。
図２０は、基板１１０の背面をエッチングしてマニホルド１３６及びインクチャンネル１３４を形成した状態を示したものである。具体的に、基板１１０の背面にエッチングされる領域を限定するエッチングマスクを形成した後、基板１１０の背面をエッチング液としてＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ：ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使用してウェットエッチングすれば、示されたように側面が傾斜したマニホルド１３６が形成される。一方、マニホルド１３６は基板１１０の背面を異方性ドライエッチングすることによって形成されても良い。次いで、マニホルド１３６が形成された基板１１０の背面にインクチャンネル１３４を限定するエッチングマスクを形成した後、マニホルド１３６及びインクチャンバ１３２間の基板１１０をＲＩＥによってドライエッチングしてインクチャンネル１３４を形成する。一方、インクチャンネル１３４は基板１１０の上面側でノズル２３８を通じてインクチャンバ１３２の底の基板１１０をエッチングして形成しても良い。
前述した段階を経れば、図２０に示されたように金属よりなる熱発散層２２８を有したノズルプレート２２０を備えた本発明による一体型インクジェットプリントヘッドが完成される。
図２２ないし図２４は、図８Ｂに示されたノズルプレートを有したインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
図８Ｂに示されたノズルプレートを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法はノズルガイド（図８Ｂの３２９）を形成する段階が追加されることを除いては前述した図８Ａに示されたノズルプレートを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法と同じである。すなわち、図１０ないし図１２に示された段階までは同じであり、その以後の段階ではノズルガイドを形成する段階が追加される。そして、ノズルガイドが形成された後の段階、すなわち図１６ないし図２０に示された段階も同じである。したがって、以下では前述した差異点を中心に説明する。
図２２に示されたように、図１２に示された段階以後にヒータ１４２の内側の境界を突き抜けない断面形状に第２保護層１２２及び第１保護層１２１をＲＩＥによって異方性エッチングし、次いで基板１１０を同じ方法で異方性エッチングして所定深さのホール３２１を形成する。
次いで、図２３に示されたように、図２２の結果物の全面に第３保護層１２６を形成する。第３保護層１２６は前述したように、例えば、ＴＥＯＳ酸化物をＰＥＣＶＤによって約０.７〜３μｍ程度の厚さに蒸着することによって形成されうる。この時、前記ホール３２１の内面に蒸着されるＴＥＯＳ酸化物はノズルガイド３２９を構成し、このノズルガイド３２９は下部ノズル３３８ａを限定する。次いで、第３保護層１２６を部分的にエッチングして熱伝導層１２４を露出させ、ホール３２１の底面をエッチングして基板１１０を露出させる。
一方、前記第３保護層１２６まで形成した後に前記ホール３２１を形成しても良い。この場合には、ノズルガイド３２９を形成するために前記ホール３２１の内面及び第３保護層１２６上にもう一つの物質層を蒸着する。
次いで、図２４に示されたように、ノズルガイド３２９によって限定された下部ノズル３３８ａの内部にフォトレジストよりなる第１犠牲層ＰＲ１を形成させた後、前述したように電気メッキのためのシード層１２７を形成する。
次いで、図１６ないし図２０に示された段階を経れば、図８Ｂに示されたようにノズル３３８の下部にノズルガイド３２９が形成されたインクジェットプリントヘッドが完成される。
以上、本発明の望ましい実施例を詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。例えば、本発明でプリントヘッドの各要素を構成するために使われる物質は、例示されていない物質を使用しても良い。すなわち、基板は必ずしもシリコンではなくても加工性の良い他の物質に代替でき、ヒータ、導体、保護層、熱伝導層や熱発散層も同様である。また、各物質の積層及び形成方法も、単に例示されたものに過ぎず、多様な蒸着方法及びエッチング方法が適用できる。また、各段階で例示された具体的な数値は製造されたプリントヘッドが正常に作動できる範囲内で、いくらでも例示された範囲を外れて調整できる。また、本発明のプリントヘッドの製造方法の各段階の順序は例示と異ならせても良い。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まらなければならない。
本発明は金属よりなる厚い熱発散層を有したノズルプレートを備えて高速印刷が可能なインクジェットプリントヘッド及びその製造に利用されうる。
１２４ 熱伝導層
１３２ インクチャンバ
１３８ ノズル
１４２ ヒータ
１４４ 導体
１３２ インクチャンバ
１３８ ノズル
１４２ ヒータ
１４４ 導体
Claims (37)
- 表面側には吐出されるインクが充填されるインクチャンバが形成され、背面側には前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホルドが形成され、前記インクチャンバ及び前記マニホルド間にはインクチャンネルが貫通して形成された基板と、
前記基板上に積層された多数の保護層及び前記保護層上に積層される熱発散層を含み、前記インクチャンバからインクの吐出されるノズルが貫通して形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバの内部のインクを加熱するヒータと、
前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記ヒータと電気的に連結されて前記ヒータに電流を印加する導体と、を備え、
前記熱発散層には前記ノズルの上部が形成され、前記熱発散層は前記ヒータ及びその周辺の熱を外部に発散させるために熱伝導性のある金属物質よりなることを特徴とする一体型インクジェットプリントヘッド。 - 前記保護層は、前記基板上に順次に積層された第１保護層、第２保護層及び第３保護層を含み、前記ヒータは前記第１保護層及び前記第２保護層間に設けられ、前記導体は前記第２保護層及び前記第３保護層間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記熱発散層は、ニッケル、銅及び金のうち何れか一つの金属よりなることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記熱発散層は、電気メッキによって１０〜１００μｍの厚さに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記ノズルプレートには前記インクチャンバの上側に配置され、前記ヒータ及び導体から絶縁され、前記基板及び前記熱発散層に接触する熱伝導層が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記熱伝導層は、金属物質よりなることを特徴とする請求項５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記導体及び前記熱伝導層は、同じ金属物質よりなり、同じ保護層上に設けられることを特徴とする請求項５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記導体及び前記熱伝導層は、アルミニウム、アルミニウム合金、金及び銀のうち何れか一つよりなることを特徴とする請求項７に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記導体及び前記熱伝導層間には絶縁層が設けられたことを特徴とする請求項５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は柱状であることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記ヒータは、前記ノズルを囲む形態に形成されることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記ノズルの下部は、前記基板上に順次に積層された前記保護層を貫通して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記インクチャンネルの断面形状は円形、楕円形または多角形であることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記ノズルの下部のエッジには前記インクチャンバの内部に延長されたノズルガイドが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- （ａ）基板を備える段階と、
（ｂ）前記基板上に多数の保護層を順次に積層しつつ、ヒータ及び前記ヒータに連結される導体を前記保護層間に形成する段階と、
（ｃ）前記保護層上に金属よりなる熱発散層を形成しつつ、インクを吐出すノズルを前記保護層及び前記熱発散層を貫通するように形成し、前記保護層及び前記熱発散層よりなるノズルプレートを前記基板に一体に構成する段階と、
（ｄ）前記ノズルを通じて露出された基板をエッチングしてインクが充填されるインクチャンバを形成する段階と、
（ｅ）前記基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホルドを形成する段階と、
（ｆ）前記マニホルド及び前記インクチャンバ間の前記基板を貫通するようにエッチングしてインクチャンネルを形成する段階と、を備えることを特徴とする一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記（ａ）段階で、前記基板はシリコンウェーハよりなることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｂ）段階は、
前記基板の上面に第１保護層を形成する段階と、
前記第１保護層上に前記ヒータを形成する段階と、
前記第１保護層及び前記ヒータ上に第２保護層を形成する段階と、
前記第２保護層上に前記導体を形成する段階と、
前記第２保護層及び前記導体上に第３保護層を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記（ｂ）段階で、前記保護層間に前記インクチャンバの上側に配置され、前記ヒータ及び導体から絶縁され、前記基板及び前記熱発散層に接触する熱伝導層を形成することを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記熱伝導層は、金属物質を所定厚さに蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項１８に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記熱伝導層は、前記導体と同じ金属物質として同時に形成されることを特徴とする請求項１８に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記熱伝導層は、アルミニウム、アルミニウム合金、金及び銀のうち何れか一つよりなることを特徴とする請求項２０に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記導体上に絶縁層を形成した後、前記絶縁層上に前記熱伝導層を形成することを特徴とする請求項１８に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｃ）段階で、前記熱発散層はニッケル、銅及び金のうち何れか一つの金属よりなることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｃ）段階で、前記熱発散層は電気メッキによって形成されることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｃ）段階で、前記熱発散層は１０〜１００μｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
- 前記（ｃ）段階は、
前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、
前記下部ノズルの内部に第１犠牲層を形成する段階と、
前記保護層のうち最上部の保護層及び犠牲層上に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、
前記シード層上に上部ノズルを形成するための第２犠牲層を形成する段階と、
前記シード層上に前記熱発散層を電気メッキによって形成する段階と、
前記第２犠牲層、前記第２犠牲層の下部の前記シード層及び前記第１犠牲層を除去して前記下部ノズル及び前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記（ｃ）段階は、
前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、
前記保護層のうち最上部の保護層上及び前記下部ノズルの内部に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、
前記下部ノズルの内部の前記シード層上に第１犠牲層を形成し、前記第１犠牲層上に上部ノズルを形成するための第２犠牲層を形成する段階と、
前記シード層上に前記熱発散層を電気メッキによって形成する段階と、
前記第２犠牲層、前記第１犠牲層及び前記第１犠牲層の下部の前記シード層を除去して前記下部ノズル及び前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記第１犠牲層及び前記第２犠牲層は、一体に形成されることを特徴とする請求項２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記下部ノズルは、前記保護層を反応性イオンエッチングによってドライエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項２６または２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記第１及び第２犠牲層は、フォトレジストまたは感光性ポリマよりなることを特徴とする請求項２６または２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記シード層は、銅、クロム、チタン、金及びニッケルのうち何れか一つの金属を蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項２６または２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記シード層は、複数の金属層よりなり、前記複数の金属層各々は銅、クロム、チタン、金及びニッケルのうち何れか一つの金属を蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項２６または２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記下部ノズルを形成する段階は、
前記保護層及び前記基板を異方性エッチングして所定深さのホールを形成する段階と、
前記ホールの内面に所定の物質層を蒸着する段階と、
前記ホールの底部に形成された前記物質層をエッチングして前記基板を露出させると同時に前記ホールの側面に前記物質層よりなり、前記下部ノズルを限定するノズルガイドを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項２６または２７に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記熱発散層を形成する段階後に、前記熱発散層の上面を化学機械的研磨工程によって平坦化する段階と、をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｄ）段階は、前記ノズルを通じて露出された前記基板を等方性ドライエッチングすることによって前記インクチャンバを形成することを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｆ）段階は、前記マニホルドが形成された前記基板の背面側で前記基板を反応性イオンエッチング法によってドライエッチングして前記インクチャンネルを形成することを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記（ｆ）段階は、前記基板の上面側で前記ノズルを通じて前記インクチャンバの底の前記基板を反応性イオンエッチング法によってドライエッチングして前記インクチャンネルを形成することを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
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