KR100374599B1 - 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 실리콘웨이퍼의 하부에 에칭중지층을 형성하는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 진동판을 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 에칭중지층의 하부에 상기 진동판을 접합시키는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 챔버판을 형성하는 단계; 상기 챔버판을 풀에칭하여 상기 챔버판에 챔버를 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 챔버가 형성된 챔버판을 상기 진동판의 하부에 접합시키는 단계; 상기 실리콘웨이퍼를 제거함으로써 액츄에이터의 하부구조를 완성하는 단계; 상기 하부구조의 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 상부에 일정한 패턴으로, 전원이 인가되면 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성하는 단계; 및 상기 압전/전왜막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크젯 프린터 헤드에 사용하기 위한 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
압전체를 이용한 잉크젯 프린터 헤드의 액츄에이터는 일반적으로 진동판과 챔버로 이루어진 하부구조와, 진동판의 상부에 결합되어 전원이 인가되면 기계적 변형을 일으키는 압전/전왜막과, 압전/전왜막에 전원을 전달하는 전극들로 구성된다.
액츄에이터의 압전체는 전원이 인가되면 폴링(poling)되는 성질이 있다. 폴링된 압전체의 상단과 하단에 형성된 상부전극과 하부전극에 전원이 인가되면 전극사이에 위치한 압전체가 변형과 복원을 반복하면서 진동을 하거나 기계적 변형을 하게 된다.
잉크젯 프린터 헤드에서는 이러한 액츄에이터의 압전체가 진동을 하면 진동판이 두께방향으로 기계적 변형을 일으키게 되어 잉크가 기록매체에 분사되게 된다.
따라서 잉크젯 프린터 헤드에서 챔버와 진동판으로 구성된 액츄에이터의 하부구조가 액츄에이터의 작동에 중요한 인자가 되고 있다.
압전체를 이용한 액츄에이터의 하부구조를 형성하기 위하여, 금속을 재료로 사용하는 경우에는 주로 습식에칭법에 의한 하프에칭(half etching)으로 챔버 및 진동판을 형성하고, 세라믹을 재료로 사용하는 경우에는 펀칭된 시트와 진동판시트를 소결압착하여 3차원 구조체를 형성하는 것이 일반적이다.
그러나 금속을 하프에칭에 의하여 액츄에이터의 하부구조를 형성하는 경우에는 에칭속도 및 시간을 조절하여 원하는 두께의 진동판을 얻는 것이 어려우며, 세라믹을 펀칭 및 소결압착하여 액츄에이터의 하부구조를 형성하는 경우에는 가공단계에서 정밀도 및 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 실리콘계 물질로 이루어진 진동판과 챔버판을 실리콘 직접 접합에 의하여 접합함으로써 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 내지 도 11은 본 발명의 방법의 일실시예를 나타낸 공정도,
도 12 내지 도 23은 본 발명의 방법의 다른 실시예를 나타낸 공정도,
도 24 내지 도 34는 본 발명의 방법의 다른 실시예를 나타낸 공정도,
도 35 내지 도 46은 본 발명의 방법의 다른 실시예를 나타낸 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 30, 50, 70 : 실리콘웨이퍼 12, 32, 52, 72 : 에칭중지층
14, 34, 54, 74 : 진동판 16, 36, 56, 76 : 챔버판
18, 38, 58, 78 : 챔버 79 : 유로
20, 40, 60, 80 : 하부전극 22, 42, 62, 82 : 압전/전왜막
24, 44, 64, 84 : 상부전극
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 실리콘웨이퍼의 하부에 에칭중지층을 형성하는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 진동판을 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 에칭중지층의 하부에 상기 진동판을 접합시키는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 챔버판을 형성하는 단계; 상기 챔버판을 풀에칭하여 상기 챔버판에 챔버를 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 챔버가 형성된 챔버판을 상기 진동판의 하부에 접합시키는 단계; 상기 실리콘웨이퍼를 제거함으로써 액츄에이터의 하부구조를 완성하는 단계; 상기 하부구조의 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 상부에 일정한 패턴으로, 전원이 인가되면 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성하는 단계; 및 상기 압전/전왜막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 실리콘웨이퍼를 제공하는 단계; 상기 실리콘웨이퍼의 하부에 에칭중지층을 형성하는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 진동판을 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 에칭중지층의 하부에 상기 진동판을 접합시키는 단계; 실리콘계 물질로 이루어진 챔버판을 형성하는 단계; 상기 챔버판을 에칭하여 상기 챔버판에 챔버를 형성하는 단계; 상기 챔버의 하부에 남은 상기 챔버판을 에칭하여, 상기 챔버의 하부에 유로를 형성하는 단계; 열처리에 의하여, 상기 챔버 및 유로가 형성된 챔버판을 상기 진동판의 하부에 접합시키는 단계; 상기 실리콘웨이퍼를 제거함으로써 액츄에이터의 하부구조를 완성하는 단계; 상기 하부구조의 상부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극의 상부에 일정한 패턴으로, 전원이 인가되면 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성하는 단계; 및 상기 압전/전왜막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터를 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저 진동판을 접합시킬 실리콘웨이퍼를 준비한다. 실리콘웨이퍼는 100-500㎛의 두께의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘웨이퍼는 이후 공정에서 진동판을 고정하는 역할을 한다.
준비된 실리콘웨이퍼의 하부에는 에칭중지층을 형성한다. 에칭중지층으로는 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘질화막(Si3N4)을 형성하는 것이 바람직하다. 실리콘산화막은 실리콘웨이퍼의 하부를 열처리하여 형성하고, 실리콘질화막은 실리콘웨이퍼의 하부를 질화처리하여 형성하는 것이 일반적이다. 형성된 실리콘산화막 또는 실리콘질화막은 진동판과 접합하는 접합계면이 되며, 후공정에서 실리콘웨이퍼를 에칭할 때 에칭중지층으로서의 기능을 한다.
실리콘웨이퍼에 접합시킬 진동판은 별도로 형성한다. 진동판의 재료로는 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 폴리실리콘(poly-Si) 등의 실리콘계 물질을 사용한다. 진동판은 5-10㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
진동판의 두께를 얇게 형성하기 어려운 경우에는 두꺼운 진동판을 실리콘웨이퍼에 접합한 후 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)하여 원하는 두께의 진동판을 형성할 수도 있다.
에칭중지층이 형성된 실리콘웨이퍼와 진동판을 접합시킨다. 이때 실리콘웨이퍼의 하부에 형성된 에칭중지층이 진동판과 접합되도록 한다.
에칭중지층과 진동판의 접합은 열처리에 의하여 행하며, 재료물질들이 실리콘계 물질이므로 1,000℃ 이상의 고온에서의 열처리가 필요하다. 이때 접합을 용이하게 하기 위하여 열처리시 압력을 가해줄 수도 있다. 또한 고온에서의 열처리공정이 어려운 경우, 접합시 상하 웨이퍼에 800VDC 이하의 직류전계를 걸어주어 열처리온도를 400-500℃ 정도로 낮출 수 있다.
이때 에칭중지층과 진동판은 모두 실리콘계 물질로 이루어져 있으므로 실리콘원자간의 직접적인 결합에 의하여 접합하게 된다.
챔버판은 별도로 형성한다. 챔버판의 재료로는 실리콘, 탄화규소 등의 실리콘계 물질을 사용하며, 웨이퍼형태로 제조하여 사용하는 것이 바람직하다.
이때 챔버 만이 형성된 챔버판을 형성할 수도 있으나, 챔버와 유로가 일체로 형성된 챔버판을 형성할 수도 있다.
챔버 만을 형성하는 경우에는 챔버판이 되는 웨이퍼 형태의 실리콘계 물질을건식 또는 습식에칭에 의한 풀에칭을 하여 챔버판에 챔버를 형성한다. 건식에칭을 하는 경우에는 챔버의 단면이 수직형태로 형성되는 장점이 있으며, 습식에칭을 하는 경우에는 챔버의 단면이 경사진 형태로 형성되므로 잉크젯 프린터 헤드의 하부구조와 접착시킬 때 챔버판과 하부구조의 접착면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 진동판의 신축에 의한 잉크의 압력이 유로방향으로 가압이 되므로 잉크토출에 유리한 장점이 있다.
챔버와 유로를 일체로 형성하고자 하는 경우에는 챔버판이 되는 웨이퍼 형태의 실리콘계 물질을 먼저 에칭하여 챔버를 형성한 다음, 챔버의 하부에 남은 챔버판을 에칭하여 챔버의 하부에 유로를 형성한다. 이때 챔버를 에칭하는 방법으로는 습식 및 건식에칭을 모두 사용할 수 있으나 습식에칭에 의하여 형성하는 것이 바람직하고, 유로는 건식에칭에 의하여 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 챔버와 유로를 일체로 형성하는 경우에는 챔버판과 유로판을 별도로 접착하는 경우에 발생할 수 있는 배열오차 및 접착불량을 없앨 수 있다.
실리콘웨이퍼에 접합된 진동판을 별도로 형성한 챔버판과 접합시킨다. 진동판과 챔버판의 접합은 열처리에 의하여 행하며, 재료물질들이 실리콘계 물질이므로 1,000℃ 이상의 고온에서의 열처리가 필요하다. 이때에도 접합을 용이하게 하기 위하여 열처리시 압력을 가해줄 수 있으며, 접합시 상하 웨이퍼에 800VDC 이하의 직류전계를 걸어주어 열처리온도를 400-500℃ 정도로 낮출 수 있다.
이때 진동판과 챔버판도 모두 실리콘계 물질로 이루어져 있으므로 실리콘원자간의 직접적인 결합에 의하여 진동판과 챔버판이 접합하게 된다.
진동판과 챔버판을 접합시킨 후에는 실리콘웨이퍼를 제거한다. 실리콘웨이퍼는 래핑 또는 에칭에 의하여 제거하거나, 래핑한 후 에칭하여 제거한다. 에칭을 하는 경우, 실리콘웨이퍼의 하부에 형성된 에칭중지층에서 에칭이 중단되므로 에칭정도를 조절할 수 있다.
상기 과정에 의하여 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 하부구조가 완성된다.
형성된 진동판의 상부에는 하부전극을 형성한다. 하부전극의 재료로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은/팔라듐(Pd)의 합금 등의 도전성 금속을 사용하며, 진공증착, 스퍼터링 또는 스크린 프린팅 등의 방법을 사용하여 형성한다.
하부전극의 상부에는 전원이 인가될 때 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성한다. 압전/전왜막은 일반적인 방법들에 의하여 형성할 수 있으며, 대표적인 방법으로는 압전/전왜 세라믹분말을 페이스트의 형태로 만들어 스크린 프린팅 등의 방법으로 막을 성형한 후 열처리하여 형성하는 방법이나 박판형태의 압전/전왜막을 접착시킨 후 에칭하여 패터닝하는 방법 등이 있다.
압전/전왜막의 상부에는 일정한 패턴으로 상부전극을 형성한다. 상부전극은 상기 하부전극과 동일한 재료 및 방법에 의하여 형성한다. 상부전극을 형성함으로써 전체 액츄에이터가 완성된다.
완성된 액츄에이터는 그대로 사용할 수도 있으며, 실리콘계 물질을 열산화시켜 표면에 실리콘산화막을 형성함으로써 잉크와 접촉하는 진동판과 챔버판의 표면에 친수성을 부여할 수도 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로서 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 11은 본 발명의 방법의 일실시예의 공정을 나타낸 것이다.
실리콘웨이퍼(10)의 하부에 에칭중지층(12)을 형성한다. 별도로 형성한 실리콘계 진동판(14)을 에칭중지층(12)의 하부에 접합시킨다.
실리콘계 물질로 챔버판(16)을 형성한 후 습식에칭에 의한 풀에칭을 하여 챔버(18)를 형성한다. 챔버(18)가 형성된 챔버판(16)을 진동판(14)의 하부에 접합시킨다. 진동판(14)과 챔버판(16)을 접합시킨 후 실리콘웨이퍼(10)를 에칭에 의해 제거함으로써 하부구조를 완성한다.
완성된 하부구조의 상부에 하부전극(20), 압전/전왜막(22) 및 상부전극(24)을 형성하여 액츄에이터를 완성한다.
도 12 내지 도 23은 본 발명의 방법의 다른 실시예의 공정을 나타낸 것이다.
실리콘웨이퍼(30)의 하부에 에칭중지층(32)을 형성한다. 실리콘계 진동판(34)을 에칭중지층(32)의 하부에 접합시킨다. 접합된 진동판(34)을 래핑하고 폴리싱하여 원하는 두께의 진동판을 형성한다.
실리콘계 물질로 챔버판(36)을 형성한 후 습식에칭에 의한 풀에칭을 하여 챔버(38)를 형성한다. 챔버(38)가 형성된 챔버판(36)을 진동판(34)의 하부에 접합시킨다. 진동판(34)과 챔버판(36)을 접합시킨 후 실리콘웨이퍼(30)를 에칭에 의해 제거함으로써 하부구조를 완성한다.
완성된 하부구조의 상부에 하부전극(40), 압전/전왜막(42) 및 상부전극(44)을 형성하여 액츄에이터를 완성한다.
도 24 내지 도 34는 본 발명의 방법의 다른 실시예의 공정을 나타낸 것이다.
실리콘웨이퍼(50)의 하부에 에칭중지층(52)을 형성한다. 별도로 형성한 실리콘계 진동판(54)을 에칭중지층(52)의 하부에 접합시킨다.
실리콘계 물질로 챔버판(56)을 형성한 후 건식에칭에 의한 풀에칭을 하여 챔버(58)를 형성한다. 챔버(58)가 형성된 챔버판(56)을 진동판(54)의 하부에 접합시킨다. 진동판(54)과 챔버판(56)을 접합시킨 후 실리콘웨이퍼(50)를 래핑 및 에칭에 의하여 제거한다. 실리콘웨이퍼(50)를 제거함으로써 하부구조를 완성한다.
진동판(54)의 상부에 하부전극(60), 압전/전왜막(62) 및 상부전극(64)을 형성하여 액츄에이터를 완성한다.
도 35 내지 도 46은 본 발명의 방법의 다른 실시예의 공정을 나타낸 것이다.
실리콘웨이퍼(70)의 하부에 에칭중지층(72)을 형성한다. 별도로 형성한 실리콘계 진동판(74)을 에칭중지층(72)의 하부에 접합시킨다.
챔버판(76)를 습식에칭하여 챔버(78)를 형성하고, 그 하부를 다시 건식에칭하여 유로(79)를 형성한다. 챔버(78)와 유로(79)가 형성된 챔버판(76)을 진동판(74)의 하부에 접합시킨다. 진동판(74)과 챔버판(76)을 접합시킨 후 실리콘웨이퍼(70)를 에칭에 의해 제거함으로써 하부구조를 완성한다.
완성된 하부구조의 상부에 하부전극(80), 압전/전왜막(82) 및 상부전극(84)을 형성하여 액츄에이터를 완성한다.
상기와 같은 본 발명은 실리콘 직접 접합에 의하여 구조를 형성하므로 공정이 간단하고, 진동판으로 실리콘계 물질을 사용함으로써 별도의 절연층 형성공정이 필요없어 공정이 단순해지며, 친수화처리가 용이한 효과가 있다.
또한 재료물질로 실리콘계 물질을 사용하므로 고온에서의 공정이 가능하고 내산화성이 우수하며 가공정밀도, 즉 집적도를 높일 수 있고, 친수화처리가 용이하다.
Claims (10)
- 실리콘웨이퍼를 제공하는 단계;상기 실리콘웨이퍼의 하부에 에칭중지층을 형성하는 단계;실리콘계 물질로 이루어진 진동판을 형성하는 단계;열처리에 의하여, 상기 에칭중지층의 하부에 상기 진동판을 접합시키는 단계;실리콘계 물질로 이루어진 챔버판을 형성하는 단계;상기 챔버판을 풀에칭하여, 상기 챔버판에 챔버를 형성하는 단계;열처리에 의하여, 상기 챔버가 형성된 챔버판을 상기 진동판의 하부에 접합시키는 단계;상기 실리콘웨이퍼를 제거함으로써 액츄에이터의 하부구조를 완성하는 단계;상기 하부구조의 상부에 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극의 상부에 일정한 패턴으로, 전원이 인가되면 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성하는 단계; 및상기 압전/전왜막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
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- 실리콘웨이퍼를 제공하는 단계;상기 실리콘웨이퍼의 하부에 에칭중지층을 형성하는 단계;실리콘계 물질로 이루어진 진동판을 형성하는 단계;열처리에 의하여, 상기 에칭중지층의 하부에 상기 진동판을 접합시키는 단계;실리콘계 물질로 이루어진 챔버판을 형성하는 단계;상기 챔버판을 에칭하여, 상기 챔버판에 챔버를 형성하는 단계;상기 챔버의 하부에 남은 상기 챔버판을 에칭하여, 상기 챔버의 하부에 유로를 형성하는 단계;열처리에 의하여, 상기 챔버 및 유로가 형성된 챔버판을 상기 진동판의 하부에 접합시키는 단계;상기 실리콘웨이퍼를 제거함으로써 액츄에이터의 하부구조를 완성하는 단계;상기 하부구조의 상부에 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극의 상부에 일정한 패턴으로, 전원이 인가되면 액츄에이팅을 하는 압전/전왜막을 형성하는 단계; 및상기 압전/전왜막의 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서, 진동판의 재료인 실리콘계 물질로는 실리콘, 탄화규소 및 폴리실리콘 중 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서, 진동판은 5-10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서, 챔버판의 재료인 실리콘계 물질로는 실리콘 또는 탄화규소를 사용하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 액츄에이터의 잉크와 접하는 면에 친수처리를 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터 헤드용 액츄에이터의 제조방법.
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