KR100358645B1 - Ink jet printer head and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
이 발명은 잉크 젯 프린터 헤드 및 이것을 제조하는 방법이다. 먼저, 노즐부를 형성하기 위한 제1 실리콘 기판 상부에 제1 유리질 박막을 증착하고, 다이어프램부를 형성하기 위한 제2 실리콘 기판 하부에 제2 유리질 박막을 증착한 다음에, 제1 실리콘 기판의 제1 유리질 박막 상부에 쳄버부 즉, 쳄버가 형성된 금속 박판을 접합시키고, 금속 박판의 상부에 제2 실리콘 기판을 양극 접합을 이용하여 접합시킨다. 다음에 제1 및 제2 실리콘 기판을 설정된 두께로 식각한 다음, 식각 공정을 수행하여 제1 실리콘 기판에 노즐을 형성한다. 이 때, 노즐은 금속 박판에 형성된 쳄버와 대응하는 위치에 형성된다. 다음에 제2 실리콘 기판의 상부에 하부 전극을 형성하고, 하부 전극 상에 압전막을 형성한 다음 압전막 상에 상부 전극을 형성하여 압전 액츄에이터를 형성한다. 이와 같이 제1 및 제2 실리콘 기판과 금속 박판의 정렬 및 노즐, 쳄버 등의 형성시 반도체 공정이 이용됨에 따라 정렬 오차가 크게 감소되어 높은 해상도를 구현할 수 있다. 또한, 정렬도 향상에 소요되는 가격 상승을 방지할 수 있으므로 저가의 잉크 젯 프린터 헤드를 제조할 수 있다.This invention is an ink jet printer head and a method of manufacturing the same. First, the first glassy thin film is deposited on the first silicon substrate for forming the nozzle portion, and the second glassy thin film is deposited on the lower portion of the second silicon substrate for forming the diaphragm portion, and then the first glassy material of the first silicon substrate is deposited. A thin metal sheet on which a chamber portion, that is, a chamber is formed, is bonded to the upper portion of the thin film, and the second silicon substrate is bonded to the upper portion of the thin metal sheet using an anodic bonding. Next, the first and second silicon substrates are etched to a predetermined thickness, and then an etching process is performed to form nozzles on the first silicon substrate. At this time, the nozzle is formed at a position corresponding to the chamber formed on the thin metal plate. Next, a lower electrode is formed on the second silicon substrate, a piezoelectric film is formed on the lower electrode, and then an upper electrode is formed on the piezoelectric film to form a piezoelectric actuator. As such, as the semiconductor process is used to align the first and second silicon substrates with the metal thin plate and form nozzles and chambers, alignment errors may be greatly reduced, thereby achieving high resolution. In addition, it is possible to prevent the increase in price required to improve the alignment, thereby making it possible to manufacture a low cost ink jet printer head.
Description
본 발명은 잉크 젯 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잉크 젯 프린터 헤드(ink jet printer head)와 이것을 제조하는 방법에 관한 것이다 .The present invention relates to an ink jet printer, and more particularly, to an ink jet printer head and a method of manufacturing the same.
일반적으로 프린터는 도트 매트릭스 방식, 잉크 분사 방식 및 레이저를 이용한 방식으로 나누어진다. 특히 잉크 분사 방식은 저렴한 가격으로 고해상도를 구현할 수 있어 널리 사용되고 있다.In general, a printer is divided into a dot matrix method, an ink jet method, and a laser method. In particular, the ink ejection method is widely used because it can realize a high resolution at a low price.
첨부한 도면을 참조로 하여 종래의 잉크 분사 방식을 사용하는 잉크 젯 프린터의 헤드에 대하여 설명한다.A head of an ink jet printer using a conventional ink jetting method will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 잉크 젯 프린터의 헤드를 분해하여 도시한 분해 사시도이다. 프린터 헤드는 인쇄될 종이면을 기준으로 순차적으로 적층된 다수의 플레이트로 이루어진다.1 is an exploded perspective view showing an exploded head of a conventional ink jet printer. The print head consists of a plurality of plates sequentially stacked on the paper surface to be printed.
보다 상세하게 말하자면, 종이(도시 생략)에 잉크를 분사하기 위한 노즐(1a)이 형성되어 있는 제1 플레이트(1), 잉크 공급로(3a)가 형성되어 있는 제2 플레이트(3), 잉크 공급 및 토출 채널(5a, 5b)이 형성되어 있는 제3 플레이트(5), 잉크 공급 및 토출 채널(7a, 7b)이 형성되어 있는 제4 플레이트(7), 잉크 쳄버(9a)가 형성되어 있는 제5 플레이트(9) 그리고 제5 플레이트(9)의 잉크 쳄버(9a)를 폐쇄하고 있는 제6 플레이트(11)가 순차적으로 적층되어 있다.More specifically, the first plate 1 having the nozzle 1a for ejecting ink onto paper (not shown), the second plate 3 having the ink supply passage 3a, and the ink supply And the third plate 5 on which the discharge channels 5a and 5b are formed, the fourth plate 7 on which the ink supply and discharge channels 7a and 7b are formed, and the ink chamber 9a on which the ink chamber 9a is formed. The fifth plate 9 and the sixth plate 11 closing the ink chamber 9a of the fifth plate 9 are sequentially stacked.
제1, 2, 3 플레이트(1, 3, 5)는 통상적으로 박막의 금속판으로 이루어지고, 제4, 5, 6 플레이트(7, 9, 11)는 박막의 세라믹으로 이루어져 있다. 그리고 제6 플레이트(11)는 다이어프램(diaphragm)으로 이루어져 잉크 쳄버(9a)의 부피를 가변시킬 수 있도록 구성되어 있다. 상술한 제6 플레이트(11)의 상단에는 압전막(13)이 부착되어 있고, 압전막(13)의 상단에는 전극(15)이 플렉시블 케이블(17)과 연결되어 압전막(13)을 통전시킬 수 있는 구조로 이루어져 있다.The first, second and third plates 1, 3 and 5 are typically made of a thin metal plate, and the fourth, fifth and sixth plates 7, 9 and 11 are made of a thin ceramic. The sixth plate 11 is made of a diaphragm, and is configured to vary the volume of the ink chamber 9a. The piezoelectric film 13 is attached to the upper end of the sixth plate 11 and the electrode 15 is connected to the flexible cable 17 at the upper end of the piezoelectric film 13 to conduct the piezoelectric film 13. It consists of structures that can be.
이러한 구조로 이루어진 잉크 젯 프린터 헤드에서, 잉크가 제2 플레이트(3)의 잉크 공급로(3a)로 유입되고, 제3, 4 플레이트(5, 7)의 잉크 공급 채널(5a, 7a)을 통하여 제5 플레이트(9)의 잉크 쳄버(9a)에 저장된다. 이때 플렉시블 케이블(17) 및 전극(15)을 통하여 전기가 공급되면 압전막(13)이 액츄에이터의 역할을 하여 잉크 쳄버(9a)의 부피를 감소시키게 된다. 그러면 잉크 쳄버(9a)의 잉크는 잉크 토출 채널(7b, 5b, 3b)을 통하여 노즐(1a)로 전달되고, 노즐(1a)을 통하여 잉크가 종이로 분사된다. 따라서 종이에 잉크가 분사되어 인쇄가 이루어진다.In the ink jet printer head having such a structure, ink flows into the ink supply path 3a of the second plate 3 and through the ink supply channels 5a and 7a of the third and fourth plates 5 and 7. It is stored in the ink chamber 9a of the fifth plate 9. At this time, when electricity is supplied through the flexible cable 17 and the electrode 15, the piezoelectric film 13 serves as an actuator to reduce the volume of the ink chamber 9a. The ink in the ink chamber 9a is then transferred to the nozzle 1a through the ink discharge channels 7b, 5b, and 3b, and the ink is ejected to the paper through the nozzle 1a. Therefore, ink is sprayed onto the paper to print.
이러한 종래의 잉크 젯 프린터 헤드를 제조하는 경우에는 위에 기술한 다수의 플레이트에 노즐, 잉크 채널 및 잉크 쳄버부 등을 각각 가공하여 형성한 다음에, 이러한 다수의 플레이트를 접합제 등을 이용하여 순차적으로 접합한다.In the case of manufacturing such a conventional ink jet printer head, the nozzles, the ink channels, the ink chambers, and the like are formed on the plurality of plates described above, respectively, and the plurality of plates are sequentially formed using a binder or the like. Bond.
그러나 다수의 플레이트를 접합하는 경우에는 노즐, 잉크 채널 및 잉크 쳄버부 등이 서로 대응되는 위치에 정확하게 정렬되어야 잉크의 분사가 정상적으로 이루어지기 때문에, 플레이트 정렬시에 매우 정밀한 정렬도가 요구되는 단점이 있다.However, in the case of joining a plurality of plates, since nozzles, ink channels, ink chambers, and the like are properly aligned at positions corresponding to each other, ink is normally ejected, and thus, very precise alignment is required at the time of plate alignment. .
따라서, 플레이트 정렬시에 정렬 오차가 매우 적어야 하며, 정렬 오차에 따라 프린터의 해상도가 좌우되기 때문에 정렬 기술의 정밀도 향상이 요구되어 제품의 가격이 상승되는 단점이 있다.Therefore, the alignment error should be very small at the time of plate alignment, since the resolution of the printer depends on the alignment error is required to improve the accuracy of the alignment technology has the disadvantage of increasing the price of the product.
또한, 프린터 헤드 제작에 사용되는 플레이트 수에 따라 정렬 공정이 증가되어 작업 시간이 증가됨에 따라 수율이 저하될 수 있으며, 정렬 기술 및 플레이트 제작 기술이 제품의 성능 개선에 장애가 되는 단점이 있다.In addition, as the alignment process is increased according to the number of plates used for manufacturing the print head, the yield may be reduced as the working time is increased, and the alignment technique and the plate manufacturing technique are obstacles in improving product performance.
그러므로, 이 발명의 목적은 노즐, 쳄버 및 다이어프램 등의 정렬 오차를 제거하여 높은 해상도 및 높은 생산성을 가지는 잉크 젯 프린터 헤드를 제조하기 위한 것이다.Therefore, it is an object of this invention to manufacture an ink jet printer head having high resolution and high productivity by eliminating alignment errors such as nozzles, chambers and diaphragms.
도 1은 종래의 잉크 젯 프린터 헤드를 분해 도시한 사시도이다.1 is an exploded perspective view of a conventional ink jet printer head.
도 2는 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of the ink jet printer head according to the embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3j는 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도이다.3A to 3J are diagrams sequentially showing the manufacturing process of the ink jet printer head according to the embodiment of the present invention.
도 4는 이 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of an ink jet printer head according to another embodiment of the present invention.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 이 발명에서는 반도체 제조 공정 기술에따라 제1 실리콘 기판과 쳄버가 형성되어 있는 금속 박판과 다이어프램으로 기능하는 제2 실리콘 기판을 순차적으로 접합시킨 다음에, 제1 실리콘 기판에 노즐을 형성하고, 제2 실리콘 기판 상에 압전 액츄에이터를 형성하여 잉크 젯 프린터 헤드를 제조한다.In order to achieve this object, according to the present invention, in accordance with the semiconductor manufacturing process technology, the first silicon substrate and the metal thin plate on which the chamber is formed, and the second silicon substrate functioning as the diaphragm are sequentially joined, and then the first silicon substrate is bonded to the first silicon substrate. An ink jet printer head is manufactured by forming a nozzle and forming a piezoelectric actuator on a second silicon substrate.
이 발명의 특징에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 제조 방법은, 금속 박판을 가공하여 상기 금속 박판의 일부에 쳄버를 형성하는 단계; 제1 실리콘 기판과, 상기 금속 박판과, 다이어프램으로 기능하는 제2 실리콘 기판을 순차적으로 적층하여 접합하는 단계; 상기 제1 실리콘 기판의 하부 및 제2 실리콘 기판의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 상기 제1 실리콘 기판의 하부의 보호막과 상기 제1 실리콘 기판의 일부를 식각하여 노즐을 형성하는 단계; 상기 제2 실리콘 기판의 상부에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극의 상부에 압전막을 형성하는 단계; 및 상기 압전막의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an ink jet printer head, the method comprising: forming a chamber on a portion of the metal sheet by processing the metal sheet; Sequentially stacking and bonding a first silicon substrate, the metal thin plate, and a second silicon substrate functioning as a diaphragm; Forming a protective film on the lower portion of the first silicon substrate and the upper portion of the second silicon substrate; Etching the passivation layer under the first silicon substrate and a portion of the first silicon substrate to form a nozzle; Forming a lower electrode on the second silicon substrate; Forming a piezoelectric film on the lower electrode; And forming an upper electrode on the piezoelectric film.
제1 실리콘 기판과 금속 박판과 제2 실리콘 기판을 적층하여 접합하는 단계에서, 제1 실리콘 기판의 상부에 유리질 박막을 증착하고, 제2 실리콘 기판의 하부에 유리질 박막을 증착한 다음에, 상기 제1 및 제2 실리콘 기판에 증착된 유리질 박막의 잔류 응력을 제어하고, 제1 실리콘 기판의 유리질 박막 상에 금속 박판을 위치시키며, 양극 접합을 이용하여 상기 제1 실리콘 기판과 상기 금속 박판을 접합시킨다. 또한, 상기 금속 박판 위에 상기 제2 실리콘 기판의 유리질 박막이 접하도록 위치시키고 양극 접합을 이용하여 상기 금속 박판과 제2 실리콘 기판을 접합시킨다.In the step of laminating and bonding the first silicon substrate, the metal thin plate, and the second silicon substrate, a glassy thin film is deposited on the upper portion of the first silicon substrate, and a glassy thin film is deposited on the lower portion of the second silicon substrate. Controlling the residual stress of the glassy thin films deposited on the first and second silicon substrates, placing a metal thin plate on the glassy thin film of the first silicon substrate, and bonding the first silicon substrate and the metal thin plate using an anodic bonding. . In addition, the glass thin film of the second silicon substrate is positioned on the metal thin plate and the metal thin plate and the second silicon substrate are bonded by using an anodic bonding.
상기 제1 및 제2 실리콘 기판과 유리질 박막은 동일한 열팽창 계수를 가지며 박막내의 잔류 응력이 없는 것이 바람직하다.Preferably, the first and second silicon substrates and the glassy thin film have the same coefficient of thermal expansion and no residual stress in the thin film.
이 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 특징에 따른 잉크젯 프린터 헤드는, 실리콘 기판으로 이루어지고, 잉크가 분사되는 노즐이 형성되어 있으며 상부에 제1 유리질 박막이 형성되어 있는 노즐부; 상기 노즐부의 제1 유리질 박막 상에 위치되며, 상기 노즐에 대응하는 위치에 공급되는 잉크가 저장되는 쳄버가 형성되어 있으며, 금속으로 이루어지는 쳄버부; 상기 쳄버부의 상부에 위치되고, 상기 쳄버부와 대면되는 하부에 제2 유리질 박막이 형성되어 있으며, 실리콘 기판으로 이루어지는 다이어프램부; 및 상기 다이어프램부의 상부에 위치되고, 상기 다이어프램부로 일정한 압력을 가하여 상기 쳄버에 내장된 잉크가 상기 노즐을 통하여 분사되도록 하는 압전 액츄에이터를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an inkjet printer head, comprising: a nozzle part formed of a silicon substrate, having a nozzle on which ink is sprayed, and having a first glassy thin film formed thereon; A chamber part disposed on the first glass-like thin film of the nozzle part and having a chamber for storing ink supplied to a position corresponding to the nozzle, the chamber part being made of metal; A diaphragm portion positioned above the chamber portion and having a second glassy thin film formed on a lower portion facing the chamber portion and formed of a silicon substrate; And a piezoelectric actuator positioned on the diaphragm portion and applying a constant pressure to the diaphragm portion to allow ink embedded in the chamber to be injected through the nozzle.
상기 노즐부 및 쳄버부와 상기 쳄버부 및 다이어프램부는 각각 양극 접합에 의하여 접합되어 있다.The nozzle portion and the chamber portion, and the chamber portion and the diaphragm portion are joined by anodic bonding, respectively.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 통하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2에 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 단면도가 도시되어 있고, 도 3a 내지 도 3j에 이 발명의 실시예를 설명하기 위한 잉크 젯 프린터 헤드 제조 공정이 순차적으로 도시되어 있다.2 is a cross-sectional view of an ink jet printer head according to an embodiment of the present invention, and an ink jet printer head manufacturing process for explaining the embodiment of the present invention is sequentially shown in FIGS. 3A to 3J.
첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드는, 다이어프램부(100)와, 다이어프램부(100)의 하부면과 접합되어 설치되며 공급되는 잉크가 저장되는 쳄버(210)가 형성되어 있는 쳄버부(200)와, 쳄버부(200)의 하부면과 접합되어 설치되며 쳄버(210)에 대응하는 위치에 노즐(330)이 형성되어 있는 노즐부(300)와, 다이어프램부(100)의 상부에 설치된 압전 액츄에이터(400)로 이루어진다.As shown in FIG. 2, an ink jet printer head according to an exemplary embodiment of the present invention may include a chamber in which a diaphragm portion 100 and a lower surface of the diaphragm portion 100 are attached to each other and are supplied and stored therein. A chamber portion 200 in which 210 is formed, a nozzle portion 300 in which a nozzle 330 is formed at a position corresponding to the chamber 210 and installed in contact with the lower surface of the chamber portion 200; It consists of a piezoelectric actuator 400 installed on the upper portion of the diaphragm portion (100).
압전 액츄에이터(400)는 다이어프램부(100)의 상부에 접합되어 설치되는 하부 전극(410)과, 하부 전극(410)의 상부에 설치된 압전막(420)과, 압전막(420)의 상부에 설치된 상부 전극(430)으로 이루어진다.The piezoelectric actuator 400 is provided with a lower electrode 410 bonded to an upper portion of the diaphragm portion 100, a piezoelectric film 420 provided on an upper portion of the lower electrode 410, and an upper portion of the piezoelectric film 420. The upper electrode 430 is formed.
다이어프램부(100)와 노즐부(300)는 실리콘 기판으로 이루어지며, 쳄버부(200)는 금속 박판으로 이루어진다. 실리콘 기판인 노즐부(300)와 금속 박판인 쳄버부(200)가 양극 접합에 의하여 접합되도록 노즐부(300)와 쳄버부(200) 사이에 유리질 박막(310)이 형성되어 있다. 이와 동일하게 쳄버부(200)와 다이어프램부(100) 사이에도 유리질 박막(110)이 형성되어 쳄버부(200)와 다이어프램부(100)가 양극 접합에 의하여 접합된다.The diaphragm part 100 and the nozzle part 300 are made of a silicon substrate, and the chamber part 200 is made of a thin metal plate. A glass-like thin film 310 is formed between the nozzle part 300 and the chamber part 200 so that the nozzle part 300, which is a silicon substrate, and the chamber part 200, which is a metal thin plate, are joined by an anodic bonding. Similarly, a glassy thin film 110 is formed between the chamber part 200 and the diaphragm part 100 so that the chamber part 200 and the diaphragm part 100 are joined by an anodic bonding.
이러한 구조로 이루어진 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드에서는 공급되는 잉크가 쳄버(210)에 저장되고, 압전 액츄에이터(400)의 하부 전극(410)과 상부 전극(430) 사이에 전장이 가해지면 압전막(420)의 상하 방향으로 븐극이 형성된다. 이 때, 압전막(420)이 다이어프램부(100)를 가압하는 방향으로 부피가 늘어나게 되어 다이어프램부(100)가 쳄버(210)를 가압하게 된다.In the ink jet printer head according to the embodiment of the present invention having such a structure, the supplied ink is stored in the chamber 210, and an electric field is applied between the lower electrode 410 and the upper electrode 430 of the piezoelectric actuator 400. Even poles are formed in the vertical direction of the ground piezoelectric film 420. At this time, the piezoelectric film 420 increases in volume in the direction in which the diaphragm portion 100 is pressed, so that the diaphragm portion 100 pressurizes the chamber 210.
따라서, 쳄버(210)에 일정한 압력이 가해짐으로써, 쳄버(210)에 내장된 잉크가 노즐(330)을 통하여 외부에 위치된 종이로 분사되어 인쇄가 이루어진다.Therefore, by applying a constant pressure to the chamber 210, the ink contained in the chamber 210 is sprayed to the paper located outside through the nozzle 330 to print.
다음에는 이러한 구조로 이루어진 이 발명의 실시예에 따른 잉크 젯 프린터헤드를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of manufacturing an ink jet print head according to an embodiment of the present invention having such a structure will be described.
이 발명의 실시예에에서는 노즐부를 형성하기 위한 실리콘 기판과, 쳄버부를 성하기 위한 금속 박판과, 다이어프램부를 형성하기 위한 실리콘 기판을 순차적으로 적층시켜 접합한 다음에, 노즐부를 형성하기 위한 실리콘 기판의 일부 중 금속 박판에 형성되는 쳄버에 대응하는 부분을 식각하여 노즐을 형성하고, 다이어프램부를 형성하기 위한 실리콘 기판 상에 압전 액츄에이터 즉, 하부 전극과, 압전막과, 상부 전극을 차례로 형성하여 잉크젯 프린터 헤드를 제조한다.In the embodiment of the present invention, the silicon substrate for forming the nozzle portion, the metal thin plate for forming the chamber portion, and the silicon substrate for forming the diaphragm portion are sequentially laminated and bonded, and then the silicon substrate for forming the nozzle portion is formed. An inkjet printer head is formed by etching a portion corresponding to a chamber formed on a thin metal plate to form a nozzle, and forming a piezoelectric actuator, that is, a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode, on a silicon substrate for forming a diaphragm portion. To prepare.
이하, 설명의 편의를 위하여 노즐부(300)를 형성하기 위한 실리콘 기판에 노즐부(300)와 동일한 도면 번호를 부여하였으며, 쳄버부(200)를 형성하기 위한 금속 박판에 쳄버부(200)와 동일한 도면 번호를 부여하였으며, 다이어프램부(100)를 형성하기 위한 실리콘 기판에 다이어프램부(100)와 동일한 번호를 부여하였다.Hereinafter, for convenience of description, the same reference numerals as those of the nozzle part 300 are given to the silicon substrate for forming the nozzle part 300, and the chamber part 200 is formed on a thin metal plate for forming the chamber part 200. The same reference numerals have been given, and the same numbers as those of the diaphragm portion 100 are given to the silicon substrate for forming the diaphragm portion 100.
먼저, 첨부한 도 3a에 도시되어 있듯이, 다이어프램부를 형성하기 위한 기판 즉, 다이어프램으로서 기능하게 될 실리콘 기판(100)의 하부에 유리질 박막(110)을 수 마이크로미터(㎛) 정도로 증착한다. 이 유리질 박막(110)은 실리콘 기판(100)과 실질적으로 열팽창 계수가 같은 물질이며, 공지된 진공 증착법이나 스퍼터링 방법에 의하여 실리콘 기판(100) 상에 증착된다.First, as shown in FIG. 3A, a glassy thin film 110 is deposited on the lower portion of the substrate for forming the diaphragm, that is, the silicon substrate 100 that will function as the diaphragm. The glassy thin film 110 is formed of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the silicon substrate 100, and is deposited on the silicon substrate 100 by a known vacuum deposition method or a sputtering method.
이와 동시에 챔버부를 형성한다. 즉, 첨부한 도 3b에 도시되어 있듯이, 금속 박판(200)을 기계 가공하여 금속 박판(200)의 일부에 공급되는 잉크가 저장되는 쳄버(210)를 형성한다.At the same time, the chamber portion is formed. That is, as shown in FIG. 3B, the metal thin plate 200 is machined to form a chamber 210 in which ink supplied to a portion of the metal thin plate 200 is stored.
그리고 첨부한 도 3c에 도시되어 있듯이, 노즐부를 형성하기 위한 실리콘 기판(300)의 상부에 유리질 박막(310)을 수 마이크로미터 정도로 증착하며, 이 경우에도 유리질 박막(310)은 실리콘 기판(300)과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 가진다.As shown in FIG. 3C, the glass thin film 310 is deposited on the silicon substrate 300 to form a nozzle by about several micrometers, and in this case, the glass thin film 310 is formed of the silicon substrate 300. Have substantially the same coefficient of thermal expansion.
유리질 박막(110,310)이 실리콘 기판(100,300)과 동일한 열팽창 계수를 가지는 이유는, 이후에 설명되는 양극 접합시에 고온 가열에 의하여 유리질 박막(110,310) 및 실리콘 기판(100,300)이 동일하게 팽창하도록 하기 위한 것이다.이 때, 성공적인 양극 접합을 수행함으로서 제품의 신뢰도 및 양산 수율을 높이기 위해 유리질 박막(110,310)내의 잔류응력을 제어하는 것이 필수적이다. 이를 위해 열처리 등의 공정을 이용하여 유리질 박막내의 잔류 응력을 최소화하는 것이 요구된다. 이 때의 열처리 온도는 200∼400℃에서 수행하는 것이 적당하다.The reason why the glassy thin films 110 and 310 have the same thermal expansion coefficient as that of the silicon substrates 100 and 300 is to ensure that the glassy thin films 110 and 310 and the silicon substrates 100 and 300 are equally expanded by high temperature heating during the anodic bonding described later. At this time, it is essential to control the residual stress in the glass thin film (110,310) in order to increase the reliability and mass production yield of the product by performing a successful anodic bonding. To this end, it is required to minimize residual stress in the glassy thin film using a process such as heat treatment. The heat treatment temperature at this time is suitably carried out at 200 to 400 ° C.
다음에, 실리콘 기판(300)과 금속 박판(200) 및 실리콘 기판(100)을 순차적으로 적층하여 접합시킨다.Next, the silicon substrate 300, the metal thin plate 200, and the silicon substrate 100 are sequentially laminated and bonded.
첨부한 도 3d에 도시되어 있듯이, 실리콘 기판(300)의 유리질 박막(310) 상에 금속 박판(200)을 위치시켜 접합시키고, 금속 박판(200) 상에 실리콘 기판(100)의 유리질 박막(110)이 접하도록 위치시켜 접합시킨다.As shown in FIG. 3D, the thin metal plate 200 is positioned and bonded to the glassy thin film 310 of the silicon substrate 300, and the glassy thin film 110 of the silicon substrate 100 is bonded to the thin metal plate 200. ) And place them in contact.
이 발명의 실시예에서 실리콘 기판(300)과 금속 박판(200)을 접합시키거나 금속 박판(200)과 실리콘 기판(100)을 접합시키는데 양극 접합(anodic bonding) 방법을 이용한다.In the exemplary embodiment of the present invention, an anodic bonding method is used to bond the silicon substrate 300 and the metal thin plate 200 or to bond the metal thin plate 200 and the silicon substrate 100.
양극 접합은 움직일 수 있는 이온을 포함하는 유리 재료와 도체 또는 반도체를 접합하는 방법이다. 먼저, 접합하고자 하는 실리콘 기판(300)의 유리질 박막(310)과 금속 박판(200)을 약 400℃로 가열하여 유리질 박막(310)내의 이온이 움직이기 쉽도록 하면서, 동시에 강한 전장을 걸어 준다. 이에 따라 유리질 박막(310)내의 이온과 금속 박막(200)의 이온 즉, 유리질 박막(310)의 이온과는 반대 극성을 가지는 이온이 유리질 박막(310)과 금속 박판(200)의 접합면쪽으로 이동함으로써, 실리콘 기판(300)과 금속 박판(200)의 접합이 이루어진다.Anodic bonding is a method of bonding a conductor or a semiconductor with a glass material that contains movable ions. First, the glassy thin film 310 and the metal thin plate 200 of the silicon substrate 300 to be bonded are heated to about 400 ° C. so that the ions in the glassy thin film 310 are easily moved, and at the same time, a strong electric field is applied. Accordingly, the ions in the glass thin film 310 and the ions of the metal thin film 200, that is, the ions having opposite polarities to the ions of the glass thin film 310, move toward the bonding surface of the glass thin film 310 and the metal thin film 200. As a result, the silicon substrate 300 and the metal thin plate 200 are bonded.
이와 동일한 방법으로 금속 박판(200)과 실리콘 기판(100)을 가열하고 전장을 걸어서 금속 박판(200)과 실리콘 기판(100)을 접합시킨다.In the same manner, the metal thin plate 200 and the silicon substrate 100 are heated and the electric field is applied to bond the metal thin plate 200 and the silicon substrate 100.
이와는 달리, 금속 박판(200)과 실리콘 기판(100)을 먼저 접합시킨 다음에, 실리콘 기판(300)과 금속 박판(200)을 접합시키는 것도 가능하다.Alternatively, the metal thin plate 200 and the silicon substrate 100 may be bonded first, and then the silicon substrate 300 and the metal thin plate 200 may be bonded.
다음에, 첨부한 도 3e에 도시되어 있듯이 실리콘 기판(100,300)을 물리적, 화학적, 기계적 방법 또는 이들을 혼합한 방법을 이용하여 식각한다. 즉, 래핑 앤드 폴리싱(lapping polishing)과 같은 기계 가공을 이용하거나 화학적인 식각 또는 이들을 동시에 이용하여 실리콘 기판(100,300)을 요구되는 다이어프램 및 노즐의 두께로 식각한다.Next, as illustrated in FIG. 3E, the silicon substrates 100 and 300 are etched using a physical, chemical or mechanical method or a mixture thereof. That is, the silicon substrates 100 and 300 are etched to the required thickness of the diaphragm and nozzles by using machining such as lapping and polishing or by chemical etching or simultaneously.
이 때, 다이어프램으로 기능하는 실리콘 기판(100)는 수∼수십 마이크로미터 정도의 두께로 식각되고, 노즐이 형성되는 실리콘 기판(300)은 수십∼수백 마이크로미터 정도의 두께로 식각된다.At this time, the silicon substrate 100 functioning as a diaphragm is etched to a thickness of several tens to several tens of micrometers, and the silicon substrate 300 on which the nozzle is formed is etched to a thickness of tens to hundreds of micrometers.
다음에, 첨부한 도 3f에 도시되어 있듯이, 이후에 수행되는 화학 용액으로부터 실리콘 기판(100,300)를 보호하기 위하여, 실리콘 기판(100)의 상부와 실리콘 기판(300)의 하부에 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 탄화막(SiC)을 수 1∼2㎛ 두께로 증착하여 보호막(120,320)을 각각 형성한다.Next, as shown in FIG. 3F, in order to protect the silicon substrates 100 and 300 from the chemical solution to be performed thereafter, a silicon oxide film (SiO 2 ) is disposed on the upper portion of the silicon substrate 100 and the lower portion of the silicon substrate 300. ) Or a silicon nitride film (SiNx) or a silicon carbide film (SiC) is deposited to a thickness of 1 to 2 μm to form protective films 120 and 320, respectively.
다음에, 실리콘 기판(300)의 하부에 형성된 보호막(320)의 일부를 제거하여 노즐을 형성하기 위한 개구부를 가지는 보호막 패턴(321)을 형성한다. 즉, 첨부한도 3g에 도시되어 있듯이, 실리콘 기판(300)의 하부에 형성된 보호막(320) 중, 금속 박판(200)의 쳄버(210)에 대응하는 위치에 형성된 보호막을 제거하여 노즐을 형성하기 위한 보호막 패턴(321)을 형성한다. 보호막(320)을 제거하는 공정은 일반적인 포토리소그래피 방법을 사용한다.Next, a portion of the protective film 320 formed under the silicon substrate 300 is removed to form a protective film pattern 321 having an opening for forming a nozzle. That is, as shown in FIG. 3G, the protective film formed at the position corresponding to the chamber 210 of the metal thin plate 200 is removed from the protective film 320 formed under the silicon substrate 300 to form the nozzle. The protective film pattern 321 is formed. The process of removing the protective film 320 uses a general photolithography method.
그리고, 이와 같이 형성된 보호막 패턴(321)을 식각 마스크로 하여 노출된 실리콘 기판(300)의 상부면을 식각한다. 이 때, 건식 식각 방법 또는 습식 식각 방법 등이 사용될 수 있다. 실리콘 기판(300)의 노출된 상부면의 식각이 이루어짐에 따라 첨부한 도 3h에 도시되어 있듯이 실리콘 기판(300)에 노즐(330)이 형성된다.The upper surface of the exposed silicon substrate 300 is etched using the protective film pattern 321 formed as described above as an etching mask. In this case, a dry etching method or a wet etching method may be used. As the exposed top surface of the silicon substrate 300 is etched, a nozzle 330 is formed on the silicon substrate 300 as shown in FIG. 3H.
다음에, 실리콘 기판(100,300)의 상하부에 각각 형성된 보호막(120,320)을 제거하고, 첨부한 도 3i에 도시되어 있듯이, 실리콘 기판(100)의 상부에 하부 전극(410)을 형성한다. 이 하부 전극(410)은 도전성이 우수한 백금(Pt)으로 이루어지는 것이 바람직하다.Next, the protective films 120 and 320 formed on the upper and lower portions of the silicon substrates 100 and 300 are removed, and a lower electrode 410 is formed on the silicon substrate 100, as shown in FIG. 3I. The lower electrode 410 is preferably made of platinum (Pt) having excellent conductivity.
다음에, 첨부한 도 3j에 도시되어 있듯이, 하부 전극(410)의 상부에 액츄에이터의 역할을 하는 압전막(420)을 형성한다. 이 압전막(420)은 후막 또는 박막 공정에 의하여 형성되고 그 상단에 상부 전극(430)을 형성한다. 상, 하부 전극(420,400)은 전기를 인가시켜 압전막(420)을 구동하기 위한 것이다. 이 압전막(420)을 형성한 후 120。∼140。에서 4∼5KV/mm의 전계를 20∼40분간 가하여 분극 공정을 행하여 압전 엑츄에이터(400)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 3J, a piezoelectric film 420 serving as an actuator is formed on the lower electrode 410. The piezoelectric film 420 is formed by a thick film or a thin film process and forms an upper electrode 430 on the top thereof. The upper and lower electrodes 420 and 400 are for driving the piezoelectric film 420 by applying electricity. After the piezoelectric film 420 is formed, a piezoelectric actuator 400 is formed by applying a polarization step by applying an electric field of 4 to 5 KV / mm at 20 ° to 140 ° for 20 to 40 minutes.
압전막(420)은 저온 소성용 첨가물(flux)로써 BBC (xBO1.5-yBiO1.5-zCdO) 또는 BC(3BaO-7CuO) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 일반적인압전체(piezoelectric 계)의 소성 온도 보다 300℃이상 소성 온도를 낮출 수 있으므로 실리콘 공정을 가능하게 할 수 있다. 이들 재료의 물성은 전기 기계 결합계수(Kp)가 52% 이상, 유전율 1300이상, 소결밀도가 이론 밀도의 95% 이상이다.The piezoelectric film 420 preferably uses BBC (xBO1.5-yBiO1.5-zCdO) or BC (3BaO-7CuO) as a low-temperature baking flux. This may lower the firing temperature of 300 ° C. or higher than the firing temperature of a typical piezoelectric system, thereby enabling a silicon process. The physical properties of these materials are 52% or more of electromechanical coefficient (Kp), 1300 or more of dielectric constant, and 95% or more of theoretical density.
특히, 압전막(420)은 PbZrO3/PbTiO3의 몰(mole) 비 51/49∼53/47로 이루어지며, 여기에 0∼0.5중량 퍼센트(wt%)의 망간옥사이드(MnO2)를 첨가하고 망간 옥사이드에는 상술한 BBC(xBO1.5-yBiO1.5-zCdO, x+y+z=1, 0.25≤x≤0.35, 0.40≤y≤0.50)를 3∼7중량퍼센트(wt%) 첨가하여 900℃/4hr∼950℃/4hr로 소성시켜 압전막(420)을 제조한다. 또한, 압전막(420)은 PbZrO3/PbTiO3의 몰(mole) 비 51/49∼53/47로 이루어질 수 있으며, 여기에 0∼0.5중량 퍼센트(wt%)의 망간옥사이드(MnO2)를 첨가하고 망간 옥사이드에는 상술한 BC(3BaO-7CuO)를 2∼6중량퍼센트(wt%)를 첨가하여 900℃/4hr∼950℃/4hr로 소성시켜 압전막(420)을 제조할 수도 있다.In particular, the piezoelectric film 420 has a mole ratio of 51/49 to 53/47 of PbZrO 3 / PbTiO 3 , and 0 to 0.5 wt% (wt%) of manganese oxide (MnO 2 ) is added thereto. 3-7 wt% (wt%) of BBC (xBO1.5-yBiO1.5-zCdO, x + y + z = 1, 0.25≤x≤0.35, 0.40≤y≤0.50) was added to manganese oxide. The piezoelectric film 420 is manufactured by baking at 900 degreeC / 4hr-950 degreeC / 4hr. In addition, the piezoelectric film 420 may be formed of a mole ratio of 51/49 to 53/47 of PbZrO 3 / PbTiO 3 , and 0 to 0.5 weight percent (wt%) of manganese oxide (MnO 2 ) is added thereto. The piezoelectric film 420 may be prepared by adding 2-6 wt% (wt%) of BC (3BaO-7CuO) described above to manganese oxide and baking it at 900 ° C / 4hr to 950 ° C / 4hr.
압전막의 소성 조건이 상술한 범위 이상의 온도이면 실리콘 기판에 압전막을 형성시킬 때 실리콘 기판의 손상이 발생할 여지가 많게 된다.If the firing conditions of the piezoelectric film are at a temperature above the above-mentioned range, there is a great possibility of damage to the silicon substrate when the piezoelectric film is formed on the silicon substrate.
이와 같이 제조된 잉크 젯 프린터 헤드에서, 압전 액츄에이터(400)로부터 실리콘 기판(100)으로 압력이 가해지면, 쳄버(210)에 내장되어 있던 잉크가 노즐(330)을 통하여 분사됨에 따라, 인쇄가 이루어진다.In the ink jet printer head manufactured as described above, when pressure is applied from the piezoelectric actuator 400 to the silicon substrate 100, the ink contained in the chamber 210 is injected through the nozzle 330, thereby printing. .
이와 같이 실리콘 기판, 금속 박판 및 실리콘 기판을 먼저 순차적으로 적층하여 접합시킨 다음에, 노즐, 다이어프램 및 압전 액츄에이터 등을 형성함에 따라,쳄버와 노즐과 다이어프램 등의 정렬 오차를 제거할 수 있다.As described above, the silicon substrate, the metal thin plate, and the silicon substrate are sequentially stacked and bonded, and then a nozzle, a diaphragm, a piezoelectric actuator, or the like is formed, thereby eliminating alignment errors between the chamber, the nozzle, the diaphragm, and the like.
한편, 위에 기술된 바와 같이 제조되는 잉크 젯 프린터 헤드에서, 노즐(330)의 형태를 다르게 형성하는 것도 가능한다. 도 4에 이 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 젯 프린터 헤드의 단면도가 도시되어 있다.On the other hand, in the ink jet printer head manufactured as described above, it is also possible to form the shape of the nozzle 330 differently. 4 is a cross-sectional view of an ink jet printer head according to another embodiment of this invention.
위에 기술된 실시예에서는 실리콘 기판(300)에 형성된 노즐(330)이 실리콘 기판(300)의 하부에 대하여 수직적으로 형성되었으나, 이와는 달리, 다이어프램의 압전 작용에 의하여 쳄버(210)내의 잉크가 보다 용이하게 분사되도록, 첨부한 도 4에 도시되어 있듯이, 실리콘 기판(300)의 하부에 대하여 일정 각도 경사지게 형성할 수도 있다. 즉, 쳄버(210) 측의 개구부(a)보다 배출구(b)가 더 넓도록 노즐(330)을 형성하여 잉크가 쳄버(210)로부터 외부로 보다 용이하게 배출되도록 할 수 있다.In the above-described embodiment, the nozzle 330 formed on the silicon substrate 300 is vertically formed with respect to the lower portion of the silicon substrate 300. However, ink in the chamber 210 is more easily formed by the piezoelectric action of the diaphragm. As illustrated in the accompanying FIG. 4 so as to be sprayed, it may be formed to be inclined at an angle with respect to the lower portion of the silicon substrate 300. That is, the nozzle 330 may be formed so that the discharge port b is wider than the opening a at the chamber 210 side, so that the ink may be more easily discharged from the chamber 210 to the outside.
이외에도, 이 발명은 잉크 젯 프린터의 헤드뿐만 아니라 생화학용 또는 군사용으로 사용되는 고정밀 마이크로 펌프 및 마이크로 분사 시스템에도 적용이 가능하며, 다음에 기술되는 특허 청구 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.In addition, the present invention can be applied not only to the head of an ink jet printer, but also to a high precision micro pump and a micro ejection system used for biochemical or military use, and various modifications can be made without departing from the claims described below. .
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에 따라, 실리콘 기판, 금속 박판 및 실리콘 기판을 먼저 순차적으로 적층하여 접합시킨 다음에, 반도체 공정을 이용하여 노즐, 다이어프램 및 압전 액츄에이터 등을 형성함에 따라, 정렬 오차가 크게 감소되어 높은 해상도를 구현할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the silicon substrate, the metal thin plate, and the silicon substrate are sequentially stacked and bonded, and then, as the nozzle, the diaphragm, the piezoelectric actuator, and the like are formed using a semiconductor process, an alignment error is obtained. Can be significantly reduced to achieve high resolution.
또한, 높은 해상도를 구현하기 위한 기술적인 제약 요건을 감소시킬 수 있으며, 정렬 오차 등이 제거됨에 따라 정밀도 향상에 소요되는 가격 상승을 방지할 수 있고, 정렬 공정에 소요되는 작업 시간이 제거됨에 따라 생산성이 향상된다.In addition, the technical constraints for achieving high resolution can be reduced, and the alignment error can be eliminated to prevent the cost increase in precision, and the productivity of the alignment process is eliminated. This is improved.
Claims (8)
Priority Applications (1)
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KR1019990034621A KR100358645B1 (en) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | Ink jet printer head and manufacturing method thereof |
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KR1019990034621A KR100358645B1 (en) | 1999-08-20 | 1999-08-20 | Ink jet printer head and manufacturing method thereof |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH02286960A (en) * | 1989-04-26 | 1990-11-27 | Mazda Motor Corp | Controller for automatic transmission |
-
1999
- 1999-08-20 KR KR1019990034621A patent/KR100358645B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH02286960A (en) * | 1989-04-26 | 1990-11-27 | Mazda Motor Corp | Controller for automatic transmission |
Also Published As
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