JP2004306585A - 二つのインクチャンバ間に配置されたヒータを有す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 - Google Patents

二つのインクチャンバ間に配置されたヒータを有す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 Download PDF

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Abstract

【課題】二つのインクチャンバ間に配置されたヒータを有する一体形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】基板の上面には下部インクチャンバが形成され、底面にはマニホルドが形成され、下部インクチャンバとマニホルド間にはインクチャンネルが貫通されて形成される。前記ノズルプレートは、基板上に順次積層された多数の保護層と金属層とよりなる。金属層の底面には下部インクチャンバと対面する上部インクチャンバが形成され、金属層の上面には上部インクチャンバと連結されるノズルが形成され、保護層には上部インクチャンバと下部インクチャンバとを連結する連結口が貫通形成される。そして、保護層間には上部インクチャンバと下部インクチャンバ間に位置してインクチャンバの内部のインクを加熱するヒータと、ヒータに電流を印加する導体が設けられる。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明はインクジェットプリントヘッドに係り、より詳細には二つのインクチャンバ間に配置されたヒータを有する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し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つの方式に分類できる。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トヘッドであり、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でのインク液滴吐出しメカニズムをさらに詳細に説明すれば、次の通りである。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。これにより、ノズルの付近のインクがノズルを通じて液滴状でインクチャンバの外部に吐出される。
ここで、バブルの成長方向とインク液滴の吐出し方向と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できる。トップ・シューティング方式は、バブルの成長方向とインク液滴の吐出し方向とが同じ方式であり、サイド・シューティング方式はバブルの成長方向とインク液滴の吐出し方向とが直交する方式であり、そしてバック・シューティング方式はバブルの成長方向とインク液滴の吐出し方向と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。第一に、可能なかぎりその製造が簡単で製造コストが低く、量産が可能でなければならない。第二に、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、隣接したノズル間の間隔は可能なかぎり狭くしなければならない。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できなければならない。第三に、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、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かくしなければならない。すなわち、加熱されたインクとヒータとの冷却が速く行われて駆動周波数を上げられなければならない。第四に、ヒータから発生した熱によってプリントヘッドに加えられる熱的負荷が少なく、高い駆動周波数でも長時間安定的に作動できなければならない。
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、膨脹し続け、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。次いで、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が吸い込ま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、このような構造の従来のトップ・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と基板１０とのボンディング時に誤整列の問題が発生できる短所がある。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、すなわちノズル密度を高めるのに限界があり、これにより速い印刷速度と高解像度とを有するインクジェットプリントヘッドを具現し難い。
特に、前記のような構造のインクジェットプリントヘッドにおいては、前記ヒータ１２が基板１０の上面に接触されているのでヒータ１２から発生した熱エネルギーの相当な部分、約５０％程度が基板１０に伝導されて吸収される。すなわち、ヒータ１２から発生した熱エネルギーは、インク１９を加熱してバブル２８を発生させるのに使われなければならないが、この熱エネルギーの相当な部分が基板１０に吸収されてしまい、残りの熱エネルギーだけがバブル２８の形成に使われる。これはバブル２８を発生させるために供給されたエネルギーが無駄になるので、結局、エネルギーの消耗が激しくなってエネルギーの効率を低下させ、他の部分に伝導される熱は印刷サイクルが進むにつれてプリントヘッド全体の温度を大きく上げる。これにより、インク２９の加熱及び冷却速度が遅くなるので、高い駆動周波数を具現し難くなり、プリントヘッドに色々熱的な問題点が発生して長時間の安定した作動が難しくなる。
最近には、前記の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決するために多様な構造を有するインクジェットプリントヘッドが提案されており、図２にはその一例として特許文献２に開示された一体型インクジェットプリントヘッドが図示されている。
図２を参照すれば、シリコン基板３０の表面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の底面にはインクチャンバ３２とマニホルド３６とを連結するインクチャンネル３４が貫通形成されている。そして、基板３０上には多数の物質層４１，４２，４３が積層されてなったノズルプレート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の周りには導体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の深さ方向に延びたノズルガイド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。次いで、大気と接触されるインク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が吸い込まれつつインクチャンバ３２に再びインク４８が充填される。
前記のような構造の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とノズルプレート４０と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４６、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られる長所がある。
しかし、図２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も、前記ヒータ４５がインクチャンバ３２の上部に設けられているので、ヒータ４５から下側に発散される熱エネルギーはインクチャンバ３２内のインク４８を加熱してバブル４９を発生させるのに使われるが、ヒータ４５から上側に発散される熱エネルギーはヒータ４５を覆い囲んでいる物質層４１，４２，４３を通じて基板３０に伝導されて吸収される。このように、前述したようなエネルギー効率の低下及び印刷サイクルの進行によるプリントヘッド全体の温度上昇による問題点は残存する。したがって、図２に示された構造のインクジェットプリントヘッドも十分に高い駆動周波数を具現するのには限界があり、長時間の安定した作動も確保し難い。
米国特許ＵＳ４,８８２,５９５号公報 米国特許公開２００２０００８７３８号
本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであって、その一目的は二つのインクチャンバ間にヒータを配置してヒータから発生したほとんどの熱エネルギーをインクに伝達することによってエネルギー効率と駆動周波数とを上げられ、長期間安定した作動が可能な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。
また、本発明の他の目的は、前記構造を有する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、上面には吐出されるインクが充填される下部インクチャンバが形成され、底面には前記下部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、前記下部インクチャンバと前記マニホルド間にはインクチャンネルが貫通されて形成された基板と、前記基板上に順次積層された多数の保護層と前記多数の保護層上に形成された金属層とよりなり、前記金属層の底面には前記下部インクチャンバと対面する上部インクチャンバが形成され、前記金属層の上面には前記上部インクチャンバと連結されるノズルが形成され、前記保護層には前記上部インクチャンバと下部インクチャンバとを連結する連結口が貫通形成されたノズルプレートと、前記保護層間に設けられ、前記上部インクチャンバと下部インクチャンバ間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、前記連結口は、前記上部インクチャンバの中心に対応する位置に形成されうる。この場合、前記ヒータは、前記連結口を取り囲む形状よりなることが望ましい。
一方、前記連結口は、前記上部インクチャンバのエッジに隣接して円周方向に沿って複数個が配置されうる。この場合、前記ヒータは長方形に形成されうる。
そして、前記複数の連結口は、前記ヒータの周りに前記ヒータから所定間隔離れて配置されうる。
また、前記複数の連結口は、それぞれの少なくとも一部が前記ヒータの縁の内側に配置され、この場合、前記ヒータには前記複数の連結口それぞれの少なくとも一部分を取り囲む穴または溝が形成されたことが望ましい。
また、前記下部インクチャンバは、前記複数の連結口それぞれの下側に形成された半球形の空間が少なくとも円周方向に連結されて形成されうる。この場合、前記インクチャンネルは、前記半球形の空間それぞれの底面の中心部に一つずつ形成されうる。
一方、前記インクチャンネルは、前記下部インクチャンバの中心に対応する位置に一つが形成され、また前記下部インクチャンバの底面に複数個が形成されることもある。
そして、前記ノズルは、出口側に行くほど断面積が狭くなるテーパ状よりなることが望ましい。
前記金属層は、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｕのうち何れか一つの金属よりなり、電気メッキによって４５〜１００μｍの厚さよりなることが望ましい。
そして、本発明は、前記構造を有する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）基板を準備する段階と、（ｂ）前記基板上に多数の保護層を順次に積層しつつ、ヒータと前記ヒータとに連結される導体を前記保護層間に形成する段階と、（ｃ）前記保護層を貫通するようにエッチングして連結口を形成する段階と、（ｄ）前記保護層上に金属層を形成しつつ、前記金属層の底面には前記ヒータの上部に位置するように前記連結口と連結される上部インクチャンバを形成し、前記金属層の上面には上部インクチャンバと連結されるようにノズルを形成する段階と、（ｅ）前記連結口を通じて前記基板の上面をエッチングして前記ヒータの下側に位置するように前記連結口と連結される下部インクチャンバを形成する段階と、（ｆ）前記基板の底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、（ｇ）前記マニホルドと前記下部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。
ここで、前記基板はシリコンウェーハよりなることが望ましい。
そして、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保護層上に抵抗発熱物質を蒸着した後、これをパターニングして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保護層を部分的にエッチングして前記ヒータの一部分を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記第２保護層上に導電性金属を蒸着した後、これをパターニングして前記コンタクトホールを通じて前記ヒータに接続される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、を含みうる。
前記連結口は、前記保護層を反応性イオンエッチングによって異方性ドライエッチングすることによって形成されうる。
前記（ｄ）段階は、前記保護層上に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、前記シード層上に前記上部インクチャンバと前記ノズルとを形成するための犠牲層を形成する段階と、前記シード層ために前記金属層を電気メッキによって形成する段階と、前記犠牲層及び前記犠牲層下の前記シード層を除去して前記上部インクチャンバと前記ノズルとを形成する段階と、を備えられる。
ここで、前記犠牲層を形成する段階は、前記シード層上にフォトレジストを所定の厚さに塗布する段階と、前記フォトレジストの上部を１次パターニングして前記ノズル形状の犠牲層を形成する段階と、前記フォトレジストの下部を２次パターニングして前記ノズル形状の犠牲層下に前記上部インクチャンバ形状の犠牲層を形成する段階と、を含みうる。
そして、前記１次パターニングは、フォトマスクを前記フォトレジストの表面から所定間隔離隔されるように設置して露光させる近接露光によって前記ノズル形状の犠牲層を下側に行くほど断面積が広くなるテーパ状にパターニングすることが望ましい。
この場合、前記フォトレジストと前記フォトマスク間の間隔及び露光エネルギーを調節することによって前記ノズル形状の犠牲層の傾度を調節できる。
また、前記金属層を形成する段階後に、前記金属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が望ましい。
前記下部インクチャンバは、前記連結口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形成されうる。
前記インクチャンネルは、前記マニホルドが形成された前記基板の底面で前記基板を反応性イオンエッチング法によって異方性ドライエッチングすることによって形成されることが望ましい。
前記連結口は、前記上部インクチャンバの中心に対応する位置に一つが形成されうる。この場合、前記ヒータは、前記連結口を取り囲む形状に形成されることが望ましい。そして、前記インクチャンネルは、前記基板の上面から前記連結口を通じて前記下部インクチャンバの底面の前記基板を反応性イオンエッチング法によって異方性ドライエッチングすることによって形成されうる。
一方、前記連結口は、前記上部インクチャンバのエッジに隣接して円周方向に沿って複数個が形成されうる。この場合、前記ヒータは、長方形に形成されることが望ましい。
そして、前記複数の連結口は、前記ヒータの周りに前記ヒータから所定間隔離れて形成されうる。
一方、前記ヒータは、その縁の内側またはその縁に互って穴または溝が形成されるようにパターニングされ、前記複数の連結口は前記穴または溝の内側に形成されうる。
前記下部インクチャンバは、前記複数の連結口を通じて露出された前記基板の等方性ドライエッチングによって前記複数の連結口それぞれの下側に形成される半球形の空間が互いに円周方向に連結されて形成されうる。
前記インクチャンネルは、前記インクチャンバの中心部上に一つが形成され、前記インクチャンネルによって前記半球形の空間は半径方向にも互いに連結されうる。
一方、前記インクチャンネルは、前記半球形の空間それぞれの底面の中心部に一つずつ形成されうる。
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、次のような効果がある。
第一に、二つのインクチャンバ間にヒータが配置されることによって、ヒータから発生したほとんどの熱エネルギーがインクに伝達されうるので、エネルギー効率と駆動周波数とが高まってインク吐出し性能が向上される。
第二に、ノズルプレートに形成された厚い金属層を通じた放熱能力が向上されてプリントヘッドの温度上昇が抑制されるので長期間安定的な作動が可能になる。
第三に、多数の物質層よりなるノズルプレートが基板上に一体に形成されるので、製造工程が簡単で誤整列の問題点が解消される。
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と便宜上誇張されていることがある。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３Ａは、本発明の望ましい第１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す図面であり、図３Ｂは図３Ａに示されたＡ−Ａ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。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、チップ状に製造されるインクジェットプリントヘッドでは図示された単位構造が１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列以上に配置されることもある。
図３Ａと図３Ｂとを共に参照すれば、基板１１０の上面には吐出されるインクが充填される下部インクチャンバ１３１が所定深さに形成され、基板１１０の底面には下部インクチャンバ１３１に供給されるインクが流れるマニホルド１３７が形成される。前記下部インクチャンバ１３１は、後述するようにその形成方法によって半球形または他の形状に形成されうる。前記マニホルド１３７は、下部インクチャンバ１３１の下側に形成され、インクを含んでいるインクリザーバー（図示せず）と連結される。
そして、下部インクチャンバ１３１とマニホルド１３７間にはこれらを互いに連結するインクチャンネル１３６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１３６は、下部インクチャンバ１３１の底面の中心部上に形成され、その水平断面形状は円形よりなることが望ましい。一方、インクチャンネル１３６の水平断面形状は、円形でなくても楕円形や多角形のような多様な形状を有しうる。また、インクチャンネル１３６は、下部インクチャンバ１３１の中心部位でなくても基板１１０を垂直に貫通して下部インクチャンバ１３１とマニホルド１３７とを連結できる位置に形成されうる。
前記のように下部インクチャンバ１３１、インクチャンネル１３６及びマニホルド１３７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、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、基板１１０上に順次に積層された第１、第２及び第３保護層１２１，１２２，１２３と、第３保護層１２３上に電気メッキによって積層された金属層１２８とを含む。前記第１保護層１２１と第２保護層１２２間にはヒータ１４２が設けられ、第２保護層１２２と第３保護層１２３間には導体１４４が設けられる。そして、前記金属層１２８の底面には上部インクチャンバ１３２が形成され、上部インクチャンバ１３２の上部にはインクが吐出されるノズル１３８が金属層１２８を貫通して形成される。
前記第１保護層１２１は、ノズルプレート１２０をなす多数の物質層のうち最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とその下側の基板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りうる。
第１保護層１２１上には、下部インクチャンバ１３１と上部インクチャンバ１３２間に位置して上、下部インクチャンバ１３１，１３２の内部のインクを加熱するヒータ１４２が後述する連結口１３３を取り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、図示されたように連結口１３３を取り囲む円形のリング状に形成され、または長方形やダイアモンド状に形成されることもある。
前記第２保護層１２２は、ヒータ１４２の保護のために第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りうる。
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に形成されたコンタクトホールＣを通じてヒータ１４２に接続され、その他端部は図示され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がや銀よりなりうる。
前記第３保護層１２３は、前記導体１４４及び第２保護層１２２上に設けられる。第３保護層１２３は、その上側に設けられる金属層１２８とその下側の導体１４４間の絶縁と導体１４４の保護のために設けられる。第３保護層１２３は、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）酸化物またはシリコン酸化物よりなりうる。
前記金属層１２８は、ノズルプレート１２０をなす多数の物質層のうち最上部の物質層である。前記金属層１２８は、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エネルギーを外部に発散させる役割をするものであって、熱伝導性が良好な金属物質、例えばＮｉ、ＣｕまたはＡｕのような金属よりなる。金属層１２８は、第３保護層１２３上に前記金属物質を電気メッキすることによって約３０〜１００μｍ、望ましくは４５μｍ以上の比較的厚く形成される。このために、第３保護層１２３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、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｕまたはＮｉのような導電性が良好な金属よりなりうる。
そして、前記金属層１２８には前記のように上部インクチャンバ１３２とノズル１３８とが形成される。上部インクチャンバ１３２は、前記保護層１２１，１２２，１２３を介して基板１１０に形成された下部インクチャンバ１３１と対面するように形成される。したがって、前記保護層１２１，１２２，１２３は、下部インクチャンバ１３１と上部インクチャンバ１３２間で下部インクチャンバ１３１の上部壁をなすと同時に上部インクチャンバ１３２の底壁をなし、前記ヒータ１４２は下部インクチャンバ１３１と上部インクチャンバ１３２間に位置する。したがって、前記ヒータ１４２から発生した熱エネルギーは、ほとんど下部インクチャンバ１３１及び上部インクチャンバ１３２内に充填されたインクに伝達されうる。そして、前記保護層１２１，１２２，１２３には下部インクチャンバ１３１の中心に対応する位置に下部インクチャンバ１３１と上部インクチャンバ１３２とを連結する連結口１３３が垂直に貫通されて形成される。前記連結口１３３の平面形状は、円形または楕円形や多角形のような多様な形状を有しうる。
上部インクチャンバ１３２の平面形状は、下部インクチャンバ１３１の形状に相応して円形または他の形状になり、その直径は下部インクチャンバ１３１の直径より同じか小さい。
前記ノズル１３８は、シリンダ状よりなりうるが、図３Ｂに示されたように出口側に行くほど水平断面積が狭くなるテーパ状よりなることが望ましい。このようにノズル１３８がテーパ状よりなる場合には、インクの吐出し後、インク表面のメニスカスがさらに早く安定する長所がある。そして、前記ノズル１３８の水平断面形状は、円形よりなることが望ましい。一方、ノズル１３８の水平断面形状は、円形でなくても楕円形や多角形のような多様な形状を有しうる。
図４Ａは、本発明の望ましい第２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す図面であり、図４Ｂは図４Ａに示されたＢ−Ｂ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。以下で、前述した第１実施例と同じ構成要素についての説明は、簡略にするか、または省略される。
図４Ａと図４Ｂとを参照すれば、本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドは、基板２１０と、基板２１０上に積層される多数の物質層よりなるノズルプレート２２０とを備える。基板２１０の上面には下部インクチャンバ２３１が形成され、基板２１０の底面にはマニホルド２３７が形成され、下部インクチャンバ２３１とマニホルド２３７間にはインクチャンネル２３６が形成される。
前記ノズルプレート２２０は、基板２１０上に順次に積層された第１、第２及び第３保護層２２１，２２２，２２３と、第３保護層２２３上に電気メッキによって積層された金属層２２８とを含む。前記保護層２２１，２２２，２２３、金属層２２８及び金属層２２８の電気メッキのために形成されるシード層２２７は、前述した第１実施例と同じであるので、これについての詳細な説明は省略する。
そして、前記金属層２２８の底面には上部インクチャンバ２３２が形成され、上部インクチャンバ２３２の上部にはインクが吐出されるノズル２３８が金属層２２８を貫通して形成される。上部インクチャンバ２３２及びノズル２３８も前述した第１実施例と同じである。
前記第１保護層２２１と第２保護層２２２間にはヒータ２４２が設けられ、第２保護層２２２と第３保護層２２３間には導体２４４が設けられる。本実施例で、前記ヒータ２４２は、下部インクチャンバ２３１と上部インクチャンバ２３２間に配置され、長方形に形成され、前記導体２４４はコンタクトホールＣを通じてヒータ２４２の両側端部に接続される。
前記長方形ヒータ２４２の周りには、下部インクチャンバ２３１と上部インクチャンバ２３２とを連結する複数の連結口２３３が前記物質層２３１，２３２，２３３を貫通して形成される。前記連結口２３３は、上部インクチャンバ２３２のエッジに隣接して円周方向に沿って等間隔に四つが設けられる。そして、下部インクチャンバ２３１は、連結口２３３を通じて基板２１０を等方性エッチングすることによって形成される。再び説明すれば、連結口２３３を通じて基板２１０を等方性エッチングすれば、各連結口２３３の下側には半球形の空間が形成され、この空間は円周方向に互いに連結されて前記下部インクチャンバ２３１をなす。この時、ヒータ２４２の中心部の下側にはエッチングされていない基板物質２１１が残存できる。しかし、連結口２３３間の間隔を狭くするか、またはエッチングを深くすれば前記基板物質２１１が残らず、これにより前記半球形の空間は円周方向だけでなく半径方向にも連結されうる。一方、前記インクチャンネル２３６を下部インクチャンバ２３１の中心部上に形成すれば、図示されたように前記半球形の空間は、インクチャンネル２３６によって半径方向にも連結される。
図５Ａは、本発明の望ましい第３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す図面であり、図５Ｂは図５Ａに示されたＤ−Ｄ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。以下で、前述した実施例と同じ構成要素についての説明は、簡略にするか、または省略される。
図５Ａ及び図５Ｂに示されたように、本発明の３実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造は、前述した第２実施例の構造と類似している。但し、発熱量を増加させるためにさらに広い面積の長方形ヒータ３４２を配置し、インクチャンネル３３６を複数形成したことは、第２実施例と異なる。
前記のようにヒータ３４２の面積を広めれば、連結口３３３はヒータ３４２の縁の内側に位置するか、または縁に互ってヒータ３４２の一部分が連結口３３３と重なる。具体的に、連結口３３３は上部インクチャンバ３３２のエッジに隣接して円周方向に沿って等間隔に複数個が形成される。前記ヒータ３４２には複数の連結口３３３それぞれの全部または一部を取り囲む穴３４２ａと溝３４２ｂとが形成される。このようなヒータ３４２は、第１保護層３２１と第２保護層３２２間に形成され、基板３１０の上面に形成された下部インクチャンバ３３１と金属層３２８の底面に形成された上部インクチャンバ３３２間に配置される。第２保護層３２２と第３保護層３２３間にはコンタクトホールＣを通じてヒータ３４２の両端部に接続される導体３４４が形成される。
基板３１０上に設けられるノズルプレート３２０は、前記保護層３２１，３２２，３２３と金属層３２８とよりなり、金属層３２８には上部インクチャンバ３３２とテーパ状のノズル３２８とが形成される。一方、３２７は金属層３２８の電気メッキのためのシード層を示す。
基板３１０の上面に形成される下部インクチャンバ３３１は、前述した第２実施例のように連結口３３３を通じて基板３１０を等方性エッチングすることによってなる。そして、下部インクチャンバ３３１とマニホルド３３７とを連結するインクチャンネル３３６は、前記のように複数個が形成される。前記インクチャンネル３３６は、下部インクチャンバ３３１を形成する半球形の空間各々に一つずつ形成されうる。
一方、前記インクチャンネル３３６は、前述した第２実施例のように下部インクチャンバ３３１の中心部上に一つだけ形成されることもある。また、第２実施例においても第３実施例のように複数のインクチャンネルが形成され、このような点は第１実施例においても同様である。
前記のように、本発明の第１、第２及び第３実施例によるインクジェットプリントヘッドによれば、二つのインクチャンバ間にヒータが配置されることによってヒータから発生した熱エネルギーのほとんどが二つのインクチャンバ内に充填されたインクに伝達されるので、エネルギー効率が高まる。また、基板に伝導されて吸収される熱エネルギーは、従来に比べて非常に減少してプリントヘッド全体の温度上昇が抑制される。特に、インクが吐出された後にヒータ及びその周辺に残留する熱エネルギーは、金属層を通じて早く外部に発散されるのでプリントヘッドの温度上昇がさらに効果的に抑制される。このように本発明によれば、インクの加熱と冷却速度とが速くなって駆動周波数が高まり、長期間安定した作動が可能になる。
以下では、図６Ａないし６Ｃ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。以下でインク吐出しメカニズムは、図４Ｂに示された第２実施例による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。
まず、図６Ａを参照すれば、上、下部インクチャンバ２３１，２３２及びノズル２３８の内部にインク２５０が充填された状態で、導体２４４を通じてヒータ２４２にパルス状の電流が印加されればヒータ２４２から熱が発生する。発生した熱は、ヒータ２４２の上側と下側との保護層２２１，２２２，２２３を通じて下部インクチャンバ２３１と上部インクチャンバ２３２との内部のインク２５０に伝えられ、これによりインク２５０が沸騰してヒータ２４２の下側だけでなく上側にもバブル２６０が生成される。この時、ヒータ２４２から発生した熱は、ほとんどインク２５０に伝えられるので、インク２５０の加熱速度が速く、バブル２６０の生成が速くなる。生成されたバブル２６０は、継続的な熱エネルギー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２５０はノズル２３８の外部に押出される。
次いで、図６ｂを参照すれば、バブル２６０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２６０は収縮して消滅される。この時、上、下部インクチャンバ２３１，２３２内には負圧がかかってノズル２３８の内部のインク２５０は再び上部インクチャンバ２３２の方向に戻る。これと同時にノズル２３８の外部に押された部分は慣性力によって液滴２５０’の形態にノズル２３８の内部のインク２５０と分離されて吐出される。
インク液滴２５０’が分離された後、ノズル２３８の内部に形成されるインク２５０表面のメニスカスは、上部インクチャンバ２３２の方向に後退する。この時、厚い金属層２２８に十分に長いノズル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、上部インクチャンバ２３２内までに後退しない。したがって、上部インクチャンバ２３２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２５０’の高速吐出しを安定的に維持できる。また、この過程ではインク液滴２５０’の吐出し後、ヒータ２４２とその周辺に残留する熱とが金属層２２８を通じて外部に発散されるので、ヒータ２４２、ノズル２３８及びその周辺の温度がさらに速く下げられる。
次いで、図６Ｃを参照すれば、上、下部インクチャンバ２３１，２３２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２５０は再びノズル２３８の出口端部の方向に上昇する。この時、ノズル２３８がテーパ状よりなる場合には、インク２５０の上昇速度がさらに速くなる長所がある。これにより、上、下部インクチャンバ２３１，２３２の内部はインクチャンネル２３６を通じて供給されるインク２５０に再び充填される。インク２５０のリフィルが完了して初期状態に復帰すれば、前記過程が反復される。また、この過程でも金属層２２８を通じて放熱が行われ、熱的にも初期状態への復帰がさらに速くなりうる。
以下では、前記のような構造を有する本発明による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７ないし図１８は、図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。
まず、図７を参照すれば、本実施例で、基板１１０として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、量産に効果的である。
一方、図７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から数十ないし数百のチップ状に製造されうる。
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なりうる。
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、スパッタリングや化学気相蒸着法（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の幅と長さとを考慮して適正な抵抗値を有するように異なる範囲にもできる。第１保護層１２１の全表面に蒸着された抵抗発熱体は、フォトマスクとフォトレジストと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８に示されたように、第１保護層１２１とヒータ１４２の上面に第２保護層１２２とを形成する。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なる。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９の段階で導体１４４と接続される部分を露出させるコンタクトホールＣを形成する。
図９は、第２保護層１２２の上面に導体１４４と第３保護層１２３とを形成した状態を示す図面である。具体的に、導体１４４は、電気及び熱伝導性が良好な金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀をスパッタリングによって約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形成されうる。これにより、導体１４４は、コンタクトホールＣを通じてヒータ１４２と接続されるように形成される。次いで、第２保護層１２２及び導体１４４上に第３保護層１２３を形成する。具体的に、第３保護層１２３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なる。
図１０は、連結口１３３を形成した状態を示す図面である。連結口１３３は、ヒータ１４２の内側の第３保護層１２３、第２保護層１２２及び第１保護層１２１を反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって順次に異方性エッチングすることによって形成されうる。
次いで、図１１に示されたように、図１０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リングによって約５００〜３０００Åの厚さに蒸着することによってなる。
図１２ないし図１４は、上部インクチャンバ及びノズルを形成するための犠牲層１２９を形成する段階を示す図面である。
まず、図１２に示されたように、前記シード層１２７の全表面にフォトレジストＰＲを上部インクチャンバ及びノズルより多少厚く塗布する。この時、連結口１３３の内部にもフォトレジストＰＲを充填させる。
次いで、フォトレジストＰＲの上部をパターニングしてノズル（図１６の１３８）が形成される部位だけを残す。この時、フォトレジストＰＲは、上面から所定厚さだけ、すなわちノズル１３８の高さだけ下側に行くほどその断面積が次第に広くなるテーパ状にパターニングされる。このようなパターニングは、フォトレジストＰＲの上面から所定間隔離隔されて設置されたフォトマスクを通じてフォトレジストＰＲを露光させる近接露光によって行われる。この場合、フォトマスクを通過した光は回折され、これによりフォトレジストＰＲの露光部位と露光されていない部位との境界面が傾斜して形成される。そして、前記境界面の傾度と露光深さとは近接露光工程でフォトマスクとフォトレジスト間の間隔及び露光エネルギーによって調節されうる。
一方、ノズル１３８は、シリンダ状よりなり、この場合にはフォトレジストＰＲの上部は柱状にパターニングされる。
次いで、残存されたフォトレジストＰＲの下部をパターニングして上部インクチャンバ（図１６の１３２）が形成される部位だけを残す。この時、残存されたフォトレジストＰＲの下部の周りは、傾斜面または垂直面よりなりうる。残存されたフォトレジストＰＲの下部の周りを傾斜面に形成する場合には、前記のような方法、すなわち近接露光工程によってフォトレジストＰＲの下部のパターニングが行われる。
前記のようにフォトレジストＰＲに対する二段階のパターニング工程を経れば、図示されたように上部インクチャンバ１３２とノズル１３８とを形成するための犠牲層１２９が形成される。一方、前記犠牲層１２９は、フォトレジストＰＲだけでなく感光性ポリマーよりなることもある。
次いで、図１５に示されたように、シード層１２７の上面に所定厚さの金属層１２８を形成する。金属層１２８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３０〜１００μｍ、望ましくは４５μｍ以上に比較的厚く形成されうる。この金属層１２８の厚さは、上部インクチャンバとノズルの高さとを考慮して適正に決定されうる。
電気メッキが完了した後の金属層１２８の表面は、その下部に形成された物質層によって凹凸を有する。したがって、化学機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって金属層１２８の表面を平坦化できる。
次いで、犠牲層１２９と、犠牲層１２９の下部のシード層１２７を順次にエッチングして除去する。これにより、図１６に示されたように金属層１２８に上部インクチャンバ１３２とノズル１３８とが形成され、保護層１２１,１２２,１２３には連結口１３３が形成される。これと同時に基板１１０上に多数の物質層が積層されてなったノズルプレート１２０が完成される。
一方、前記上部インクチャンバ１３２とノズル１３８とを有する金属層１２８は、次のような段階を経て形成されることもある。図１１の段階で、連結口１３３の内部をフォトレジストで充填した後、シード層１２７を形成する。次いで、前述したように犠牲層１２９を形成する。その次、図１５に示されたように金属層１２８を形成させた後、化学機械的研磨によって金属層１２８の表面を平坦化させる。次いで、犠牲層１２９、犠牲層１２９の下部のシード層１２７、連結口１３３の内部のフォトレジストをエッチングして除去すれば、図１６に示されたような金属層１２８が形成されたノズルプレート１２０が完成される。
図１７は、基板１１０の上面に所定深さの下部インクチャンバ１３１を形成した状態を示す図面である。下部インクチャンバ１３１は、連結口１３３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、図示されたように、深さと半径とが約２０〜４０μｍの半球形の下部インクチャンバ１３１が形成される。
図１８は、基板１１０の底面をエッチングしてマニホルド１３７とインクチャンネル１３６とを形成した状態を示す図面である。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で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、図示されたように側面が傾斜したマニホルド１３７が形成される。一方、マニホルド１３７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ることもある。次いで、マニホルド１３７が形成された基板１１０の背面にインクチャンネル１３６を限定するエッチングマスクを形成した後、マニホルド１３７と下部インクチャンバ１３１間の基板１１０をＲＩＥ法によってドライエッチングしてインクチャンネル１３６を形成する。一方、インクチャンネル１３６は、基板１１０の上面でノズル１３８と連結口１３３とを通じて下部インクチャンバ１３１の底部の基板１１０をエッチングして形成することもある。
前記段階を経れば、図１８に示されたように基板１１０に形成された下部インクチャンバ１３１とノズルプレート１２０の金属層１２８に形成された上部インクチャンバ１３２間にヒータ１４２が配置された本発明の第１実施例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１９ないし図２３は、図４Ａと図４Ｂと示された本発明の第２実施例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る。以下で、前述した製造方法と同じ段階については説明を省略するか、または簡略にする。そして、図５Ａと図５Ｂとに示された本発明の第３実施例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も後述する製造方法と類似しているので、差異点についてだけ簡略に説明する。
まず、図１９を参照すれば、シリコン基板２１０の上面に第１保護層２２１を形成した後、第１保護層２２１上に長方形のヒータ２４２を形成する。次いで、第１保護層２２１とヒータ２４２との上面に第２保護層２２２を形成する。次いで、第２保護層２２２を部分的にエッチングしてヒータ２４２の両側端部、すなわち導体２４４と接続される部分を露出させるコンタクトホールＣを形成する。そして、第２保護層２２２の上面にコンタクトホールＣを通じてヒータ２４２と接続されるように導体２４４を形成する。次いで、第２保護層２２２及び導体２４４上に第３保護層２２３を形成する。
図１９に示された段階は、ヒータ２４２の形状と導体２４４の配置形態とを除いては前述した製造方法とほとんど同じであるので、具体的な説明は省略する。
図２０は、連結口２３３を形成した状態を示す図面である。連結口２３３は、ヒータ２４２の周りに等間隔に複数個が形成される。具体的に、それぞれの連結口２３３は、第３保護層２２３、第２保護層２２２及び第１保護層２２１を反応性イオンエッチング法によって順次に異方性エッチングすることによって形成されうる。
一方、図５Ａと図５Ｂとに示されたヒータ３４２を形成しようとする場合には、ヒータ３４２と連結口３３３とが重なることを防止するために、ヒータ３４２をパターニングする時、連結口３３３が形成される位置に連結口３３３の全部または一部を取り囲む穴３４２ａと溝３４２ｂとをあらかじめ形成させる。
その次に、図２１に示されたように、図２０の結果物の全表面に電気メッキのためのシード層２２７を形成する。次いで、シード層２２７上にフォトレジストを所定厚さに塗布した後、これをパターニングして上部インクチャンバとノズルとを形成するための犠牲層２２９を形成する。次いで、シード層２２７の上面に熱伝導性が良好な金属を所定厚さに電気メッキして金属層２２８を形成する。そして、金属層２２８は化学機械的研磨によってその表面が平坦化されうる。前記シード層２２７、犠牲層２２９及び金属層２２８の形成方法は、前述した製造方法と同じであるので、ここで具体的な説明は省略する。
図２２は、ノズル２３８、上部インクチャンバ２３２、連結口２３３及び下部インクチャンバ２３１を形成した状態を示す図面である。具体的に、図２１に示された犠牲層２２９と、犠牲層２２９の下部のシード層２２７とを順次にエッチングして除去すれば、図２２に示されたように金属層２２８に上部インクチャンバ２３２とノズル２３８とが形成され、保護層２２１,２２２,２２３には複数の連結口２３３が形成される。これと同時に基板２１０上に多数の物質層が積層されてなられたノズルプレート２２０が完成される。
次いで、複数の連結口２３３を通じて基板２１０の上面を所定深さに等方性エッチングする。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２１０を所定時間ドライエッチングする。これにより、図示されたように、連結口２３３の下側に半球形の空間が形成され、この空間は円周方向に互いに連結されて下部インクチャンバ２３１をなされる。この時、ヒータ２４２の中心部の下側にはエッチングされていない基板物質２１１が残存できる。しかし、連結口２３３間の間隔を狭くするか、またはエッチングを深くすれば前記基板物質２１１が残らず、これにより前記半球形の空間は円周方向だけでなく半径方向にも連結されうる。
図２３は、基板２１０の底面をエッチングしてマニホルド２３７とインクチャンネル２３６とを形成した状態を示す図面である。マニホルド２３７とインクチャンネル２３６との形成方法は、前述した通りである。そして、前記インクチャンネル２３６を下部インクチャンバ２３１の中心部上に形成すれば、図示されたように前記半球形の空間はインクチャンネル２３６によって半径方向にも連結される。一方、下部インクチャンバ２３１を形成する半球形の空間各々に一つずつインクチャンネル２３６を形成することもある。
前記段階を経れば、図２３に示されたような構造を有する本発明の第２実施例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。
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することもある。また、各物質の積層及び形成方法も単に例示されたものであって、多様な蒸着方法とエッチング方法とが適用されうる。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的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製造方法の各段階の順序は、例示されたものと異ならせうる。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。
本発明はインクジェットプリントヘッドに係り、エネルギー効率と駆動周波数とを高められ、長期間安定した作動が可能な一体型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。
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を示す切開斜視図及び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。 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を示す切開斜視図及び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。 従来の一体型インクジェットプリントヘッドの一例を示す垂直断面図である。 本発明の望ましい第１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す図面である。 図３Ａに示されたＡ−Ａ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 本発明の望ましい第２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す図面である。 図４Ａに示されたＢ−Ｂ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 本発明の望ましい第３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す図面である。 図５Ａに示されたＤ−Ｄ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 図４Ｂに示された本発明の第２実施例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ための図面である。 図４Ｂに示された本発明の第２実施例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ための図面である。 図４Ｂに示された本発明の第２実施例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ための図面である。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図３Ａと図３Ｂとに示された本発明の第１実施例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る。 図４Ａと図４Ｂとに示された本発明の第２実施例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る。 図４Ａと図４Ｂとに示された本発明の第２実施例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る。 図４Ａと図４Ｂとに示された本発明の第２実施例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る。 図４Ａと図４Ｂとに示された本発明の第２実施例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る。 図４Ａと図４Ｂとに示された本発明の第２実施例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る。
符号の説明
１１０ 基板
１２０ ノズルプレート
１２１ 第１保護層
１２２ 第２保護層
１２３ 第３保護層
１２７ シード層
１２８ 金属層
１３１,１３２ インクチャンバ
１３３ 連結口
１３６ インクチャンネル
１３７ マニホルド
１３８ ノズル
１４２ ヒータ
１４４ 導体

Claims (37)

  1. 上面には吐出されるインクが充填される下部インクチャンバが形成され、底面には前記下部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、前記下部インクチャンバと前記マニホルド間にはインクチャンネルが貫通されて形成された基板と、
    前記基板上に順次積層された多数の保護層と前記多数の保護層上に形成された金属層とよりなり、前記金属層の底面には前記下部インクチャンバと対面する上部インクチャンバが形成され、前記金属層の上面には前記上部インクチャンバと連結されるノズルが形成され、前記保護層には前記上部インクチャンバと下部インクチャンバとを連結する連結口が貫通形成されたノズルプレートと、
    前記保護層間に設けられ、前記上部インクチャンバと下部インクチャンバ間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。
  2. 前記連結口は、前記上部インクチャンバの中心に対応する位置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。
  3. 前記ヒータは、前記連結口を取り囲む形状よりなることを特徴とする請求項２に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  4. 前記連結口は、前記上部インクチャンバのエッジに隣接して複数個が配置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。
  5. 前記ヒータは、長方形よりなることを特徴とする請求項４に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  6. 前記複数の連結口は、前記ヒータの周りに前記ヒータから所定間隔離れて配置されることを特徴とする請求項４に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  7. 前記複数の連結口は、それぞれの少なくとも一部が前記ヒータの縁の内側に配置され、前記ヒータには前記複数の連結口それぞれの少なくとも一部分を取り囲む穴または溝が形成されることを特徴とする請求項４に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  8. 前記下部インクチャンバは、前記複数の連結口それぞれの下側に形成された半球形空間が少なくとも円周方向に連結されて形成されることを特徴とする請求項４に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  9. 前記インクチャンネルは、前記半球形空間それぞれの底面の中心部に一つずつ形成されることを特徴とする請求項８に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
  10. 前記インクチャンネルは、前記下部インクチャンバの中心に対応する位置に一つが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。
  11. 前記インクチャンネルは、前記下部インクチャンバの底面に複数個が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。
  12. 前記ノズルは、出口側に行くほど断面積が狭くなるテーパ状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。
  13. 前記金属層は、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｕ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。
  14. 前記金属層は、電気メッキによって４５〜１００μｍの厚さ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。
  15. （ａ）基板を準備する段階と、
    （ｂ）前記基板上に多数の保護層を順次に積層しつつ、ヒータと前記ヒータに連結される導体とを前記保護層間に形成する段階と、
    （ｃ）前記保護層を貫通するようにエッチングして連結口を形成する段階と、
    （ｄ）前記保護層上に金属層を形成しつつ、前記金属層の底面には前記ヒータの上部に位置するように前記連結口と連結される上部インクチャンバを形成し、前記金属層の上面には前記上部インクチャンバと連結されるようにノズルを形成する段階と、
    （ｅ）前記連結口を通じて前記基板の上面をエッチングして前記ヒータの下側に位置するように前記連結口と連結される下部インクチャンバを形成する段階と、
    （ｆ）前記基板の底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、
    （ｇ）前記マニホルドと前記下部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。
  16. 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。
  17. 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保護層上に抵抗発熱物質を蒸着した後、これをパターニングして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保護層を部分的にエッチングして前記ヒータの一部分を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
    前記第２保護層上に導電性金属を蒸着した後、これをパターニングして前記コンタクトホールを通じて前記ヒータに接続される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。
  18. 前記連結口は、前記保護層を反応性イオンエッチングによって異方性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。
  19. 前記（ｄ）段階は、
    前記保護層上に電気メッキのためのシード層を形成する段階と、
    前記シード層上に前記上部インクチャンバと前記ノズルとを形成するための犠牲層を形成する段階と、
    前記シード層上に前記金属層を電気メッキによって形成する段階と、
    前記犠牲層及び前記犠牲層下の前記シード層を除去して前記上部インクチャンバと前記ノズルとを形成する段階と、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。
  20. 前記シード層は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ及びＮｉのうち何れか一つの金属を前記保護層上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１９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。
  21. 前記犠牲層を形成する段階は、
    前記シード層上にフォトレジストを所定の厚さに塗布する段階と、
    前記フォトレジストの上部を１次パターニングして前記ノズル形状の犠牲層を形成する段階と、
    前記フォトレジストの下部を２次パターニングして前記ノズル形状の犠牲層下に前記上部インクチャンバ形状の犠牲層を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１９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。
  22. 前記１次パターニングは、フォトマスクを前記フォトレジストの表面から所定間隔離隔されるように設置して露光させる近接露光によって前記ノズル形状の犠牲層を下側に行くほど断面積が広くなるテーパ状にパターニングすることを特徴とする請求項２１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。
  23. 前記フォトレジストと前記フォトマスク間の間隔及び露光エネルギーを調節することによって前記ノズル形状の犠牲層の傾度を調節することを特徴とする請求項２２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。
  24. 前記金属層は、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｕ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１９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。
  25. 前記金属層を形成する段階後に、前記金属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をさらに備えることを特徴とする請求項１９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。
  26. 前記下部インクチャンバは、前記連結口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。
  27. 前記インクチャンネルは、前記マニホルドが形成された前記基板の底面で前記基板を反応性イオンエッチング法によって異方性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。
  28. 前記連結口は、前記上部インクチャンバの中心に対応する位置に一つが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。
  29. 前記ヒータは、前記連結口を取り囲む形状よりなることを特徴とする請求項２８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。
  30. 前記インクチャンネルは、前記基板の上面から前記連結口を通じて前記下部インクチャンバの底面の前記基板を反応性イオンエッチング法によって異方性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２８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。
  31. 前記連結口は、前記上部インクチャンバのエッジに隣接して複数個が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。
  32. 前記ヒータは、長方形よりなることを特徴とする請求項３１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。
  33. 前記複数の連結口は、前記ヒータの周りに前記ヒータから所定間隔離れて形成されることを特徴とする請求項３１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。
  34. 前記ヒータは、その縁の内側またはその縁に互って穴または溝が形成されるようにパターニングされ、前記複数の連結口は前記穴または溝の内側に形成されることを特徴とする請求項３１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。
  35. 前記下部インクチャンバは、前記複数の連結口を通じて露出された前記基板の等方性ドライエッチングによって前記複数の連結口それぞれの下側に形成される半球形空間が互いに円周方向に連結されて形成されることを特徴とする請求項３１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。
  36. 前記インクチャンネルは、前記インクチャンバの中心部上に一つが形成され、前記インクチャンネルによって前記半球形空間は半径方向にも互いに連結されることを特徴とする請求項３５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。
  37. 前記インクチャンネルは、前記半球形空間それぞれの底面の中心部に一つずつ形成されることを特徴とする請求項３５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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