KR100374204B1

KR100374204B1 - 2차원 노즐배치를 갖는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100374204B1
Application number: KR10-2000-0023620A
Authority: KR
Inventors: 이재덕; 한철희; 이춘섭; 천기철
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2003-03-04
Also published as: US20010040596A1; KR20010102636A; JP2003531755A; WO2001083220A1

Abstract

본 발명은 고해상도 고속 프린팅이 가능한 잉크젯 프린트헤드를 제작하는 데 있어서 잉크방에 잉크를 공급하는 통로로 사용되는 잉크 공급로를 기판에 2개 이상 2차원 배열로 배치하여 2차원 노즐 배치를 구현하는 것에 대한 것이다. 본 발명에 의하면 기존의 1개 잉크 공급로 주변에 노즐을 일렬로 배치하는 방식에서 나타나는 집적도의 저하 문제점이 해결되어 기판에 매우 많은 수의 노즐을 집적할 수 있고 이에 따라 고속 프린팅이 요구되는 고해상도 프린트헤드의 구현이 현실화될 수 있다.

Description

2차원 노즐배치를 갖는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 {Inkjet printhead with two-dimensional nozzle arrangement and method of fabricating the same}

본 발명은 일반적으로 프린트 헤드에 관한 것으로, 특히 동일한 집적도의 공정을 이용하여 잉크젯 프린트 헤드를 제조하더라도 궁극적으로는 고해상도 및 고속 출력이 가능한 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 잉크젯 프린트 헤드의 분사방식은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫째는, T. E. 치바 등에게 부여된 미국 특허 제4,338,611호에 개시된 바와 같이, 프린트헤드 기판의 옆면에 노즐을 형성하여 옆으로 잉크를 분사하는 사이드-슈터 (Side-shooter) 방식이다. 둘째는, A. I. 팬 등에게 부여된 미국 특허 제4,931,813호에 개시된 바와 같이, 프린트헤드 기판 평면에 노즐을 형성하여 윗면으로 잉크를 분사하는 루프-슈터(Roof-shooter) 방식이다.

상기한 종래 방식들 중에서, 전자는 기판의 옆면을 노즐 배치면으로 사용하기 때문에 노즐을 1줄로 밖에 배치할 수 없는 근본적인 문제를 안고 있다.

또한, 후자는 기판의 평면을 노즐 배치면으로 사용함에도 불구하고, 도 1a에 도시한 바와 같이, 잉크를 잉크방에 공급하기 위한 주공급 통로인 주잉크 공급로(15)를 실리콘 기판(10)에 1개의 구멍을 뚫어 형성하는 방식을 사용함으로써 상기 주잉크 공급로 1개의 주변을 중심으로 잉크채널(14)과 이에 따른 노즐(12) 배치를 하게 되므로 노즐이 한 줄, 혹은 두 줄로 밖에 형성 될 수 없는 문제점을 갖고 있다. 즉, 도 1a에서와 같이 실리콘 기판(10)의 한가운데에 주잉크 공급로(15)를 형성하고 1줄로 노즐을 배치하는 기술을 사용할 때, 노즐-노즐간의 간격(μ)을 40 미크론으로 형성하는 기술을 사용하는 경우 40 미크론 간격의 선을 인쇄할 수 있을 뿐이다.

후자의 경우에 대한 개선된 방식으로서, 최근에 기판의 옆면을 주잉크 공급로로 사용하여 주잉크 공급로 형성의 단순화를 이룩한 예가 S. W. 스타인필드 등에게 부여된 미국 특허 제5,648,806호에 개시되었으나, 이 또한 근본적으로 노즐이 기판의 옆면을 따라 각각 1줄 씩 총 두 줄로 밖에 배치될 수 없는 한계를 가지고 있다. 따라서, 이에 의해 나타나는 한계점은 노즐 배치의 집적도가 떨어지게 되고, 결국에는 단위 프린트헤드에 집적되는 노즐 수가 적어져서 잉크분사 속도가 떨어지게 된다. 고해상도 잉크젯 프린트헤드의 경우 잉크 방울의 크기가 작으므로 해상도를 2배 높이기 위해서는 기존보다 4배 빠른 속도로 프린트해야 같은 면적을 같은 속도로 프린트한다. 그러므로, 기존의 노즐 배치 방식으로는 고해상도 노즐을 만들었다고 가정해도, 속도가 느린 단점을 항상 안게 되고 결국에 고해상도 프린트헤드의 구현이 현실적으로 불가능하다.

또한, 노즐 배치의 집적도를 높이기 위한 방법으로 잉크방을 여러 개로 나누어 배치하는 방식이 H. S. 마치다 등에게 부여된 미국 특허 제4,558,333호에서 제시되었으나, 이 역시 잉크 공급로가 1개만 형성되므로 각 잉크방마다 잉크 공급 속도가 다르며, 빠른 잉크공급이 원활히 이루어지지도 않고, 각 잉크방마다의 유체역학적 상호간섭이 매우 커서 사실상 실용화가 불가능한 문제점을 안고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 동일한 집적도의 공정을 이용하여 잉크젯 프린트 헤드를 제조하더라도 궁극적으로는 고해상도 및 고속 출력이 가능한 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 잉크젯 프린트헤드의 노즐 배치를 개략적으로 나타낸 평면도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드에서의 2차원 잉크 공급로 및 노즐 배치를 개념적으로 나타낸 평면도;

도 3은 본 발명의 실시예 방법에 따라 실리콘 기판에 집적 형성된 잉크젯 프린트 헤드를 나타낸 부분 절개 사시도;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 노즐 배치와 인쇄출력과의 관계를 설명하기 위한 도면;

도 5a 및 5b는 인쇄속도 향상을 위한 노즐배치의 예를 나타낸 도면들;

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 노즐 블록의 배치 및 패드 배치를 나타낸 도면;

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 레이아웃도;

도 8a 내지 8k는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 나타낸 공정단면도들;

도 9a 내지 9c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 나타낸 공정단면도들;

도 10a 내지 10c는 한 번의 사진 작업으로 도금을 위한 3차원 노즐 몰드를 형성하는 공정을 나타낸 사시도들; 및

도 11은 본 발명의 제1 실시예의 방법을 구현하기 위한 전기 화학 식각공정에 사용되는 식각장치의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명 *

1: 프린트헤드 2: 종이

3: 종이상의 가상 픽셀 4, 5: 열 패드

6, 7: 행 패드 10: 실리콘 기판

11: 노즐판 12, 12': 노즐

13: 잉크방(ink cavity) 14, 14': 잉크채널(ink channel)

15, 15': 주잉크 공급로 16: 발열저항

17: 스위칭 소자 18: Vcc 패드

19: GND 패드 20: 열 패드 (column pad)

21: 다결정실리콘 게이트(polycrystalline silicon gate)

22: Vcc 배선 23: GND 배선

24: 잉크 공급로 형성 영역 25: 스위칭 소자 형성 영역

26: 스위칭 소자 격리 영역 27: 패드-배선 접촉창 영역

30: 실리콘 질화막(Si3N4)

31: 응력 완충용 실리콘 산화막(pad oxide)

32: 저 농도 인 확산층

33: 열전달 방지용 실리콘 산화막(thermal barrier oxide)

34: 소자 격리용 저 농도 붕소 확산층

35: 소자 격리용 실리콘 산화막(field oxide)

36: 소스-드레인 인 확산층(source-drain)

37: 폴리실리콘-금속간 실리콘 산화막

38: 접촉저항 감소를 위한 붕소 확산층

39: 금속 배선(Al, Au)

40: 발열저항(Ta-Al, HfB2, polycrystalline silicon)

41: 보호층 I (SiNX/SiCX, SiOX, TaOX)

42: 보호층 II (Ta, Pt)

43: 노즐판 도금용 바탕금속 (Ti/Au)

44: 감광막 몰드(photoresist mold)

45: 니켈 노즐판

46: DRIE(Deep Reactive Ion Etching)을 위해 도포한 감광막

60: 노즐 몰드 61: 잉크방 몰드

62: 잉크 채널 몰드 63: 잉크방-잉크채널 마스크

64: 노즐 마스크 65: 두꺼운 감광막

70: 테프론 조 71: 구리 전극

72: 전기 화학 식각용액 (질산, 불산, 물 내지 아세트산 혼합액)

73: 백금 전극 74: 직류 전원 장치

75: O-링(O-ring)

76: 실리콘 기판과 금속 박막의 접촉창 (contact window)

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드는: 2차원 배열형으로 형성된 4개 이상의 잉크 공급로 구멍들을 가지는 기판과; 상기 잉크 공급로 구멍들의 각각에 연결된 노즐과; 상기 노즐의 구동수단과; 상기 노즐들을 선택적으로 구동시키기 위해 외부에서 가해진 전기적 신호를 디코딩하여 상기 구동수단에 전달하는 전기소자를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 잉크 공급로 구멍들의 2차원 배열이 n×n 또는 1×n인 것이 바람직하다(단, n은 1보다 큰 자연수).

상기 프린트헤드에서, 상기 노즐의 크기가 상기 2차원 배열의 구역별로 서로다르도록 하여 다양한 해상도를 구현할 뿐 아니라 출력속도를 향상시킬 수도 있다.

상기 구동수단은, 열 분사방식 또는 피에조(Piezo) 분사방식에 의해 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 수단으로서, 상기 전기소자는 다이오드 또는 모스(MOS) 트랜지스터 등의 스위칭 소자로서 상기 기판에 집적 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐이 상기 잉크 공급로 구멍을 덮는 노즐판에 형성되며, 상기 노즐판이 도전막을 포함하여 잉크젯 프린트 헤드의 구동을 위한 전원선 또는 접지선 등의 배선으로 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 잉크 공급로 구멍들과 노즐들의 2차원 배열은 상기 프린트 헤드의 인쇄 운동방향에 대해 일정 각도를 갖는 열들로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드 제조방법은 고해상도에 적합하도록 모놀리식(monolithic) 제작공정들로 이루어진다. 즉, 노즐을 기판에 직접 형성시키고 전기 화학 식각공정에 의해 2개 이상의 2차원 배치를 갖는 잉크 공급로를 실리콘 기판에 형성시키거나, 노즐을 기판에 직접 형성시키고 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정에 의해 2개 이상의 2차원 배치를 갖는 잉크 공급로를 실리콘 기판에 형성시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드에서의 2차원 잉크 공급로 및 노즐 배치를 개념적으로 나타낸 평면도이다. 도 2를 참조하면, 실리콘기판(10) 상에 2차원으로 잉크 공급로(15') 배열을 형성하고 각각에 대해 노즐(12')을 한 개씩 형성하는 방법으로 노즐을 배치하면 노즐-노즐간의 간격(μ)을 40 미크론으로 형성하는 기술을 사용하여도 10 미크론 간격(μ')의 선을 인쇄할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예 방법에 따라 실리콘 기판에 집적 형성된 잉크젯 프린트 헤드를 나타낸 부분 절개 사시도이다. 도시의 명확성을 위해, 일부 구성요소를 절개하여 나타내었다. 도 3을 참조하면, 루프-슈터 방식으로 잉크젯 프린트헤드가 형성되어 있음을 알 수 있다. 실리콘 기판(10)에 다수의 잉크 공급로(15')가 2차원 배열로 형성되는데, 그 각각은 잉크 채널(14'), 잉크방(13) 및 노즐(12')이 형성되어 있는 노즐판(11)에 의해 덮여 있다. 노즐판(11)의 내부 구조를 명확하게 나타내기 위해, 이를 제거하거나, 수평절개 또는 부분절개하여 도시하였다. 또한, 다수의 노즐들의 각각을 구동하기 위해 스위칭 소자(17)를 각 노즐(12') 옆에 배치하여 외부에서 가해 준 신호를 디코딩함으로써 해당 노즐의 구동부에 전기 에너지를 가해준다. 가해진 전기 에너지에 의해 발열저항(16)이 열을 발생시키며, 이 열은 잉크 공급로(15')를 통해 공급되는 잉크를 팽창시켜 노즐(12')을 통해 잉크방울(d)을 토출시킨다. 기판의 주변부에는, 전기배선에 따른 전원공급 및 접지를 위한 Vcc 패드(18) 및 GND 패드(19), 스위칭 소자(17), 발열저항(16) 및 열 패드(20)가 각각 복수 개씩 형성되어 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 노즐 배치와 인쇄출력과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

인쇄출력지(2)에는 수평, 수직 방향으로 간격 c[㎜] (인쇄해상도는 25.4/c)인 가상의 픽셀(3)이 형성되어 있다. 프린트헤드(1) 상의 노즐(12')은 1행부터 마지막 행까지 순차적으로 선택되고 각 순간 모든 열에 주어진 이미지 데이터에 의해 인쇄가 수행된다. 노즐들은 각각 다음의 수학식 1과 같은 좌표를 가지고 프린트헤드(1)에 위치해 있다.

여기서, L_X, L_Y는 각각 수평, 수직방향의 노즐-노즐 간의 간격, T_row는 각 열이 선택되는 시간, V는 프린트 헤드(1)와 인쇄출력지(2)의 상대적인 속도를 각각 나타낸다. 예컨대, 2400×2400 dpi(dot per inch)의 해상도로 인쇄를 하고자 하는 경우, 도 4에서, c는 10 미크론, L_X는 210 미크론, L_Y는 200 미크론, T_row는 3.3㎲로 각각 설정할 수 있다. 도 4를 참조하면, 수직 방향으로 간격 c인 픽셀을 인쇄하기 위해 노즐 N00과 노즐 N01이 수직 방향으로 간격 c만큼 어긋나 있음을 알 수 있다.

도 5a 및 5b는 인쇄속도 향상을 위한 노즐배치의 예를 나타낸 도면들이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 2차원 노즐 블록(A, B, C)을 여러 개 반복 배치하고 각각 인쇄출력지(2) 상에 표시된 것과 같이 할당된 부분만 인쇄를 담당하게 하면, 3개의 블록에 의해 3배의 인쇄속도 향상을 이룰 수 있다. 일반적으로, n개의 2차원 노즐 블록에 의해 n배의 인쇄속도 향상을 이룬다.

한편, 도 5b에 도시한 바와 같이, 작은 노즐들과 더불어 큰 노즐들을 하나의프린트 헤드에 구역별로 형성하고, 고해상도 인쇄가 필요한 경우 작은 노즐들만에 의해 인쇄를 하고 저해상도로 빠른 인쇄가 필요한 경우에는 두 가지 노즐들을 선택적으로 구동시키는 전기신호를 인가되도록 소프트웨어 프로그램에 의해 제어하면 인쇄속도의 향상을 이룰 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 노즐 블록의 배치 및 패드 배치를 나타낸 도면이다. 여기서, 노즐 블록이란, 동일한 크기 및 간격을 가진 노즐들의 배치구역을 말한다. 2차원 노즐 블록들인 A, B, C 블록을 배치하고 이들 블록들을 다시 한 번 반복하여 A', B', C' 블록들을 배치하면 많은 수의 노즐에 의한 인쇄속도 향상을 이룰 수 있다. 열 패드들(4, 5)과 행 패드들(6, 7)은 노즐 블록들의 주변에 배치되어 스위칭 소자 및 발열저항에 전기 에너지를 공급해 준다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 레이아웃도이다.

도 7을 참조하면, 2×2 노즐 배치 및 이를 작동시키기 위한 소자와, 배선들이 도시되어 있다. 좀 더 상세히 살펴보면, 잉크 공급로(15')를 노즐판(11)이 덮고 있으며, 노즐판(11)에는 잉크채널(14')과 노즐(12')이 형성되어 있다. 명확한 도시를 위해, 노즐판(11)은 투시된 상태로 외곽선으로만 나타내었다. 한편, 노즐(12')로부터 잉크를 토출시키기 위한 발열저항은 노즐(12')의 바로 아래에 있기 때문에 가려져서 도시되지 않았다. 발열저항에는 전기 에너지 공급용 Vcc 배선(22)이 연결되는데, 이를 작동시키기 위한 전기신호는 다결정 실리콘 게이트 전극(21)과 그 하부의 게이트 산화막으로 이루어진 스위칭 트랜지스터에 의해 인가된다. 설명되지 않은 참조번호 23은 접지배선을 나타낸다.

이어서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에 대해 설명한다.

[제1 실시예의 제조방법]

도 8a 내지 8k는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 8a를 참조하면, 붕소가 도핑된 p-형 실리콘 기판(10) 상에 소자 간의 격리를 위한 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 위해 실리콘 산화막(31)과 실리콘 질화막(30)을 각각 500Å 및 1500Å의 두께로 각각 형성한다.

이어서, 도 8b에 도시한 바와 같이, 전해연마공정에 의한 실리콘 기판(10)의 과도 침해를 방지하기 위해 제1 마스크를 사용하여 스위칭 소자가 형성될 영역(25)과 주잉크 공급로가 형성될 영역(24)을 제외하고 상기 산화막과 실리콘 질화막을 식각한 후 인을 도핑한다. 그 결과물에 잉크 분사 시 열누설 방지를 위한 열전달 방지용 열산화막(33)을 1100℃의 고온로에서 습식산화로 200분간 성장시켜 1.2㎛ 이상의 두께로 형성하는 동시에 인 도핑층(32)도 형성한다.

도 8c에 도시된 공정에서는, 주잉크 공급로가 형성될 영역(24) 위와 스위칭 소자 격리영역(26) 위의 산화막을 제2 마스크에 의해 먼저 제거하고, 인산에서 실리콘 질화막을 식각하여 주잉크 공급로가 형성될 영역(24) 위와 스위칭 소자 격리영역(26) 위의 실리콘 질화막을 제거한다. 이어서, 후술할 주잉크 공급로 형성을 위한 전해 연마공정 수행 시 전극과 실리콘의 접촉저항 향상과 트랜지스터 상호 간의 누설전류를 억제하기 위해 붕소를 900℃에서 20분간 도핑하여 소자격리용 붕소확산층(34)을 만든다. 그 다음, 붕소 확산층(34)의 농도를 떨어뜨리고 소자격리용 실리콘 산화막(35)을 형성함과 동시에 열전달 방지용 산화막(33)의 두께를 증가시키기 위해 1150℃의 질소분위기에서 60분간 열처리공정, 1100℃의 수증기 분위기에서 70분간 산화공정, 1100℃의 질소분위기에서 20분간 열처리공정을 순차적으로 거치게 한다. 이어서, 모든 실리콘 질화막을 인산으로 제거하고, BOE(Buffered Oxide Etchant)용액에서 1분간 식각하여 실리콘 질화막 밑에 있던 얇은 산화막을 제거한다. 추가적으로, LOCOS 공정 시 형성되는 흰 띠를 제거하기 위해, 1000℃의 산소분위기에서 65분간의 산화공정에 의해 희생산화막(sacrificial oxide layer)을 형성하고 BOE 용액에 약 1분간 담가서 이를 제거한다.

도 8d에 도시된 공정에서는, 트랜지스터의 게이트 산화막 형성공정을 1000℃ 산소분위기에서 20분간 수행하여 게이트 산화막을 300Å 두께로 형성하고 이어서 1000℃ 질소분위기에서 20분간 열처리하여 산화막의 전기적 특성을 향상시킨다. 트랜지스터의 게이트 전극 형성을 위해 폴리실리콘막을 4500Å 두께로 증착하고 제 3 마스크를 사용해 식각하여 트랜지스터의 게이트(21)를 형성한다. 소스-드레인이 형성될 영역 위의 게이트 산화막을 제거하고 인을 970℃에서 30분간 도핑해 소스-드레인 영역(36) 을 형성한다. 소스-드레인 위의 게이트 산화막 식각 시 게이트 산화막의 옆면이 침해된 것을 보상해주기 위해 추가로 1000℃ 산소분위기에서 20분간 산화공정을 추가한다. 금속전극을 증착하기 전에 절연을 위해 산화막(37)을 5000Å 증착한다.

도 8e에 도시된 공정에서는, 잉크 공급로가 형성될 영역 위의 산화막을 제 4마스크를 사용하여 제거한다. 추가로 이 제거영역에 붕소 도핑을 915℃에서 30분간 행하여 붕소확산층(38)을 형성함으로써 잉크 공급로가 형성될 영역과 금속 배선간의 접촉저항을 낮춘다.

이어서, 도 8f에 도시한 바와 같이, 소스-드레인 영역 상의 산화막을 제거한 후, 금속 배선과 발열저항용 박막을 증착하고 제6 과 제7 마스크를 사용하여 식각함으로써 배선 (39)과 발열저항(40)을 형성한다.

그 다음, 도 8g에 도시한 바와 같이, 트랜지스터와 발열저항 내지 배선을 잉크로부터 보호하기 위해 보호층 Ⅰ(41)과 보호층 Ⅱ를 순차 증착한다. 보호층 Ⅱ는 제 8 마스크를 사용하여 발열저항 주위의 보호층 Ⅱ 패턴(42)만 남기고 나머지를 식각한다. 패드-배선 접촉창 영역(27)과 잉크 공급로 형성 영역 위의 보호층 I 부분을 제 9 마스크를 사용하여 식각한다.

도 8h에 도시된 공정에서는, 노즐판 도금을 위한 기초 금속층(43)을 증착하고 노즐판 도금을 위한 도금 몰드(44)를 감광막을 패터닝하여 형성한다. 본 실시예에서, 도금용 기초 금속층은 티타늄과 금의 복합층(Ti/Au)을 사용한다. 도금 몰드(44)용 감광막 노광 시 도 10a 내지 도 10c와 같이 잉크채널-잉크방 마스크(63)에 해당하는 제10 마스크와 노즐 마스크(64)에 해당하는 제11 마스크를 순차적으로 사용하여 두꺼운 감광막(65)을 노광하는데 제10 마스크에 대한 노광 시간은 길게 하고(도 10a), 제11 마스크에 대한 노광 시간은 짧게 하면(도 10b), 도 10c와 같이 노즐 몰드(60), 잉크방 몰드(61) 및 잉크 채널 몰드(62)로 이루어진 3차원의 감광막 몰드가 1번의 사진작업으로 형성된다.

이어서, 도 8i와 같이 도금용 몰드(44)를 이용하여 노즐판(45)을 도금으로 형성한다. 도금 두께는 감광막의 높이보다 낮게 한다.

도 8j에 도시된 공정에서는, 전기 화학 식각에 의해 잉크 공급로(15')를 실리콘 기판에 형성한다. 전기 화학 식각 공정은 도 11에 도시된 식각장치에서 진행된다. 도 11을 참조하면, 테프론 조(teflon bath; 70)와 그 저면에 위치한 실리콘 기판(10)의 뒷면과 O-링(O-ring; 75)이 전기 화학 식각 용액(72)을 담을 수 있는 밀폐공간을 제공한다. 전기 화학 식각 용액(72)은 통상적으로 질산과 불산과 물 또는 아세트산의 혼합액으로 이루어진다. 직류 전원 장치(74)의 일단은 전기 화학 식각 용액(72)에 삽입된 백금 전극(73)에 연결되고, 그 타단은 실리콘 기판(10)과 금속 박막의 접촉창(contact window; 76)에 닿아 있는 구리 전극(71)에 연결된다. 따라서, 직류 전원 장치(74)에서 나오는 전류가 접촉창(76)을 통해 실리콘 기판(10)으로 흘러서 접촉창에 수렴하는 형상의 잉크 공급로(15')가 도 8j와 같이 기판에 형성된다.

이어서, 도 8k와 같이, 잉크채널(14'), 잉크방(13) 및 노즐(12')을 막고 있는 감광막을, 끓인 아세톤에 의해 제거하고, 도금용 기초금속층(Ti/Au)을 각각 BOE와 금 식각액으로 제거함으로써 공정을 완료한다.

[제2 실시예의 제조방법]

본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에서는 DRIE 공정에 의해 잉크 공급로를 형성한다. 공정의 전반부는 도 8a 내지 도 8h에 도시된 제2 실시예의 공정들과 동일하다. 즉, 노즐 도금까지 완료한 후에 도 9a와 같이 실리콘 기판 (10)의 뒷면에 감광막(46)을 도포하고 양면 정렬 노광기를 사용하여 잉크 공급로가 형성될 부분의 감광막을 제거한다.

이어서, 도 9b와 같이 실리콘 기판을 그 뒷면부터 DRIE 공정을 사용하여 식각한다. 이 때, 식각 정지층(etch stop layer)은 도금용 기초 금속(43) 또는 도금용 몰드로 사용된 감광막(44)이다.

그 다음, 도 9c에 도시된 바와 같이, DRIE 공정에 사용된 감광막(46)과 잉크채널(14')과 잉크방(13) 및 노즐(12')을 막고 있는 감광막(44)을 아세톤에 끓여서 제거하고 도금용 기초금속(43)을 BOE와 금 식각용액으로 제거하여 공정을 완료한다.

현재 소비자가 원하는, 사진과 동일한 수준의 인쇄를 구현하가 위해서는 2400∼3600 dpi(drops-per-inch)의 해상도를 실현하는 잉크젯 프린트헤드가 필요하다. 그러나, 현재까지는 노즐의 크기나 노즐 배치 피치로 볼 때 프린트 해상도가 600 dpi에 해당하는 제품에 적합한 기술인 반면, 본 발명이 실제 제품에 응용된다면 2400×2400 dpi 이상도 쉽게 구현이 가능하다. 또한, 상기 2400×2400 dpi 프린트헤드를 사용하여 출력 시 인쇄 속도가 현재의 제품에 비해 전혀 떨어지지 않는다. 따라서, 이 기술이 사용된다면 사진과 완전히 동일한 수준의 출력물을 얻을 수 있으며 그 시장의 규모도 매우 크다.

Claims

n×n의 2차원 배열형으로 형성된 4개 이상의 잉크 공급로 구멍들을 가지는 기판과;

상기 잉크 공급로 구멍들의 각각에 연결된 노즐과;

상기 노즐의 구동수단과;

상기 노즐들을 선택적으로 구동시키기 위해 외부에서 가해진 전기적 신호를 디코딩하여 상기 구동수단에 전달하는 전기소자를 구비하는 잉크젯 프린트 헤드, 단 n은 2 이상의 자연수.
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제1항에 있어서, 상기 노즐의 크기가 상기 2차원 배열의 구역별로 서로 다르도록 하여 다양한 해상도를 구현할 뿐 아니라 출력속도도 향상시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 제1항에 있어서, 상기 잉크 공급로에 각각 한 개 또는 복수개의 노즐과 각각의 노즐에 해당하는 잉크채널을 가진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 상기 구동수단이, 열 분사방식 또는 피에조 분사방식에 의해 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 수단인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 상기 전기소자가 다이오드 또는 모스 트랜지스터 등의 스위칭 소자로서 상기 기판에 집적 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 상기 노즐들의 각각이, 상기 잉크 공급로 구멍을 덮는 노즐판에 형성되며, 상기 도전막을 포함하여 잉크젯 프린트 헤드의 구동을 위한 전원선 또는 접지선 등의 배선으로 사용되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 상기 잉크 공급로 구멍들과 노즐들의 2차원 배열이 상기 프린트 헤드의 인쇄 운동방향에 대해 일정 각도를 갖는 열들로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1항에 있어서, 상기 노즐들을 어레이 블록으로 배치하고 블록마다 적어도 서로 다른 색의 잉크를 공급하여 복수 개의 색을 인쇄할 수 있는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제1 도전형 불순물이 도핑된 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 순차적으로 형성하는 단계와;

스위칭 소자가 형성될 영역과 주잉크 공급로가 형성될 영역을 제외한 나머지 부분의 상기 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 식각하여 상기 기판의 일부 영역을 노출시킨 후 이 노출영역에 제2 도전형 불순물을 도핑하는 단계와;

상기 결과물에 대해 산화공정을 적용하여 상기 노출영역에 열전달 방지용 실리콘 산화막을 형성하는 단계와;

상기 주잉크 공급로가 형성될 영역 전체, 및 상기 스위칭 소자가 형성될 영역의 양단부 상의 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 제거하고 상기 제거영역에 제1 도전형 불순물을 도핑하여 소자격리용 제1 도전형 불순물 확산층을 만드는 단계와;

상기 소자격리용 제1 도전형 불순물 확산층의 도핑농도를 낮추고 상기 스위칭 소자가 형성될 영역의 양단부에 소자격리용 실리콘 산화막을 형성함과 동시에 상기 열전달 방지용 산화막의 두께를 증가시키기 위해 산화공정 및 열처리 공정을 차례로 거치게 하는 단계와;

잔류한 모든 실리콘 질화막 및 그 하부의 산화막을 제거하는 단계와;

상기 스위칭 소자가 형성될 영역 상에 게이트 산화막, 게이트 전극용 폴리실리콘막, 및 소스-드레인을 포함한 스위칭용 트랜지스터를 형성하는 단계와;

잉크 공급로가 형성될 영역과 후속 금속 배선간의 접촉저항을 낮추기 위해, 상기 잉크 공급로가 형성될 영역 위의 산화막을 제거하고 제1 도전형 불순물을 도핑하는 단계와;

상기 소스-드레인 영역 상의 산화막을 제거한 후, 금속 배선과 발열저항용 박막을 증착하고 식각함으로써 배선과 발열저항을 형성하는 단계와;

상기 트랜지스터와 발열저항 내지 배선을 잉크로부터 보호하기 위한 보호층 Ⅰ과 보호층 Ⅱ를 순차 증착한 후, 상기 보호층 Ⅱ는 발열저항 주위의 보호층 Ⅱ 패턴만 남기고 나머지를 식각하고, 패드-배선 접촉창이 형성되는 영역과 잉크 공급로 형성 영역 위의 보호층 I 부분을 식각하는 단계와;

상기 결과물에 노즐판 도금을 위한 기초 금속층을 증착하고, 노즐판 도금을 위해 잉크채널, 잉크방 및 노즐형성용 도금 몰드를 감광막 패터닝에 의해 형성하는 단계와;

상기 도금 몰드를 이용하여 노즐판을 도금에 의해 형성하되, 상기 도금 두께가 상기 감광막의 높이보다 낮게 하는 단계와;

상기 기판을 식각하여 잉크 공급로를 형성하는 단계와;

상기 잉크채널, 잉크방 및 노즐 형성용 감광막 도금 몰드를 제거한 후, 상기 도금용 기초금속층도 제거하는 단계를 구비하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 도전형이 p형이고, 상기 제2 도전형이 n형인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 도금물들을 형성하는 단계에서, 한번의 감광막 도포에 이어 잉크방/잉크채널 마스크와 노즐 마스크 두 개를 각각 노광시간을 달리하여 3차원 노즐몰드를 한 번의 사진작업으로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 기판을 식각하여 잉크 공급로를 형성하는 단계에서 전해 연마공정을 적용하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 기판을 식각하여 잉크 공급로를 형성하는 단계가:

상기 실리콘 기판의 뒷면에 감광막을 도포하고 양면 정렬 노광기를 사용하여 잉크 공급로가 형성될 부분의 감광막을 제거하는 단계와;

상기 실리콘 기판을 그 뒷면부터 DRIE 공정을 사용하여 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 DRIE 공정에서 식각 정지층으로서 상기 도금용 기초 금속 또는 도금용 몰드로 사용된 감광막을 이용하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
적어도 하나의 잉크 공급로를 가지는 기판과;

프린트 헤드의 운동방향과 평행한 선상에 적어도 2개의 노즐을 상기 잉크공급로에 각각 연결하여 배치된 노즐과;

상기 노즐의 구동수단과;

상기 노즐을 선택적으로 구동시키기 위해 외부에서 가해진 전기적 신호를 디코딩하여 상기 구동수단에 전달하는 전기소자를 구비하여,

인쇄속도 향상 및 고해상도 인쇄를 구현하는 2차원 노즐 배열 어레이를 가지는 잉크젯 프린트헤드.
제16항에 있어서, 상기 노즐배치를 n×n 또는 1×n으로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드, 단 n은 1보다 큰 자연수.
제16항에 있어서, 상기 노즐의 크기가 상기 2차원 배열의 구역별로 서로 다르도록 하여 다양한 해상도를 구현할 뿐 아니라 출력속도도 향상시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제16항에 있어서, 상기 구동수단이 열분사방식 또는 피에조 분사방식에 의해 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제16항에 있어서, 상기 전기소자가 다이오드 또는 모스 트랜지스터 등의 스위칭 소자로서 상기 기판에 집적 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.