KR100387548B1 - 열잉크젯프린트헤드장치용구동헤드및그제조방법 - Google Patents

열잉크젯프린트헤드장치용구동헤드및그제조방법 Download PDF

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Abstract

박막 잉크젯 구동 헤드는 MOSTFT(금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터) 트랜지스터(32)와, 레지스터(26) 및 이들 전기 소자들 사이의 상호접속부(46d)를 제공하며, 이들은 모두 동일한 다기능성 박막 층(46)을 구성한다. 다기능성 박막 층 의 상이한 부분들은 (1) 프린트헤드(20)로부터 잉크 방울을 방출시키기 위한 열 레지스터와, (2) 레지스터를 선택적으로 구동(화이어링)시키기 위한 잉크 MOSTFT 트랜지스터와, (3) 구동 트랜지스터와 레지스터 사이의 직접적인 전도성 통로로서 기능을 한다.

Description

열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드 및 그 제조 방법{INTEGRATED THIN-FILM DRIVE HEAD FOR THERMAL INK-JET PRINTER}
본 발명은 열 잉크젯 프린터용 집적 박막 구동 헤드(integrated thin-film drive head)에 관한 것으로, 특히 드라이버 트랜지스터, 레지스터 및 상호 접속기가 동일 박막 층으로 이루어져 있는 구동 헤드에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는 미소한 잉크 방울을 형성하여 인쇄 매체를 향해 분사시키는 펜을 포함한다. 이러한 펜은 잉크 방울이 통과하여 분사되는 매우 작은 노즐을 구비하는 오리피스판을 갖는 프린트헤드를 포함한다. 분사 전의 잉크가 저장되어 있는 잉크 챔버가 프린트 헤드 내측의 노즐에 인접하여 있다. 잉크는 잉크 공급부와 유체 연통하는 잉크 채널을 통하여 잉크 챔버에 운반된다. 예를 들면, 잉크 공급부는 펜의 저장소의 일부분을 구성할 수도 있다.
노즐을 통한 잉크의 분사는 인접한 잉크 챔버내의 잉크 체적의 급속한 가열에 의해서 이루어질 수도 있다. 잉크 증기가 급속히 팽창하여 챔버내의 잉크의 일부가 방울 형태로 노즐을 통과하게 된다. 이 과정은 소위 "화이어링(firing)"으로 불린다. 챔버의 잉크는 노즐에 접하여 정렬된 열 변환기에 의하여 가열된다. 통상적으로, 열 트랜스듀서는 레지스터나 압전(piezoelectric) 변환기이지만, 잉크를 급속하게 가열할 수 있는 다른 어떤 물질이나 장치를 포함할 수도 있다. 이러한 프린터가 열 잉크젯 프린터로 공지되어 있다.
박막 레지스터가 열 잉크젯 프린터의 구동 헤드에 사용되는 것이 통상적이다. 이러한 장치에 있어서, 저항성 가열 재료가 전기적으로 그리고 열적으로 절연된 절연 기재에 배치되는 것이 통상적이다. 종래의 제조 기술에 있어서는, 단일한구동 헤드 기재에 상당한 수의 레지스터가 배치되었다.
따라서, 과거에는, 기재에 적용되는 레지스터의 수가 레지스터를 선택적으로 가열하기 위해서 구동 헤드를 외부 펄스 구동 회로에 전기적으로 접속시키는데 사용되는 전도성 소자에 의해서 제한되었다. 따라서, 열 잉크젯 구동 헤드는 펄스 구동 회로를 구동 헤드 기재(레지스터를 가짐)에 직접적으로 합체시키는 것이 개발되어 왔다. 구동 헤드 기재에 펄스 구동 회로를 합체시킴 따라 펜을 프린터에 전기적으로 연결하는데 필요한 상호접속부 소자(interconnect component)의 수가 감소하여 소형 잉크젯 펜이 제조된다.
기재에 배치된 펄스 구동 회로는 MOSFET 트랜지스터(금속 산화물 반도체 전기장 효과 트랜지스터)를 포함하는 것이 통상적이다. 집적 회로(즉, 레지스터, 구동 트랜지스터 및 상호접속부를 포함)는 당해 업계에 공지되어 있는 전도성 배선(trace) 패턴과, 종래의 마스킹 기법(masking)을 사용하여 석판 인쇄술, 자외선 노출 및 에칭 기술에 의하여 기재에 차원 형성된다.
펄스 구동 회로(이후에 구동 헤드로서 칭함)는 잉크 배리어와 외측 오리피스판에 인접하여 고정된다. 잉크 배리어(barrier)의 내부 기하학적 형상이 잉크 챔버의 형상을 형성한다. 잉크 챔버는 화이어링(가열)하여 챔버 노즐을 통하여 잉크 방울을 분사하는 경우, 대응 레지스터에 정렬 배치된다.
동일한 구동 헤드 기재상의 구동 소자와 열 레지스터의 집적은 다층 접속 회로를 이용하여 구동 트랜지스터가 레지스터 및 다른 인쇄 시스템의 부분과 연통할 수 있다. 통상적으로, 이 회로는 각각 종래의 회로 제조 기술을 사용하여 형성되는, 다수의 개별 재료 층을 포함한다.
종래의 잉크젯 구동 헤드의 제조 방법에는 전술한 구동 회로 소자를 형성하기 위하여 적어도 4회의 금속 성막과 9개의 석판 인쇄 마스크(잉크 배리어 마스크를 제외함)를 필요로 한다. 이 과정은 생산 비용이 많이 들며 비교적 제조 효율이 낮다.
챔버로부터 잉크 방울을 분사하기 위하여 필요한 에너지량은 당해 기술분야에 "턴 온 에너지(turn on energy)" 또는 TOE로 공지되어 있다. 턴 온 에너지가 높을 수록 프린트헤드가 과열될 수도 있다. 프린트헤드가 과열되면 잉크에 용해되어 있던 공기로부터 거품이 발생되어 잉크 방울을 너무 일찍 형성한다. 잉크내의 공기 방울이 너무 일찍 형성되면, 불량한 잉크 방울을 형성하게 되며, 인쇄질이 불량해진다. 인쇄 속도는 프린트헤드 과열을 방지하는 비율로 느려져야 한다.
잉크젯 구동 헤드 시스템은 전기적 또는 열적 열화(degradation) 없이, 종래(알루미늄 기재)의 구동 헤드의 작동 온도보다 고온에서 작동할 수 있도록 구동 헤드의 신뢰성을 개선한다. 잉크젯 구동 헤드 시스템이 보다 고온에서 작동하며, 인쇄질을 희생시키지 않고서도 인쇄 속도를 증가시킬 수 있다.
종래의 열 잉크젯 구동 헤드 장치는 구동 헤드 집적 회로에 레지스터를 형성하기 위한 기본 소자중의 하나로서 알루미늄을 사용한다. 알루미늄 레지스터는 일반적으로 사용에 적합할지라도, 이 레지스터는 (1) 비교적 고 전류밀도에서 손상될 수 있는 구동 헤드의 알루미늄의 전기적 이동이나 물리적 이동과 (2) 전술한 바와 같은 비교적 복잡한 제조 과정으로 인한 두가지 중요 문제점을 가진다.
본 발명은 종래의 구동 헤드 장치의 전술한 단점을 제거한 열 잉크젯 프린트헤드용 집적 박막 구동 헤드 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명은 턴 온 에너지가 보다 적은 레지스터를 제공한다. 또한, 보다 소형의 구동 헤드 회로에 의하여 보다 소형의 프린트헤드가 제조되며, 실제적으로 프린터는 프린트헤드의 가열을 최소화하면서도 고속으로 우수한 인쇄질을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 보다 신속하며, 보다 저렴하게 제조되는 구동 헤드 제조 과정을 제공하여, 작동과 신뢰성이 모두 우수한 박막 잉크젯 구동 헤드를 생산한다.
본 발명에 따르면, 바람직한 박막 잉크젯 구동 헤드는 모두 동일한 다기능성 박막 층에 이루어진 MOSTFT(금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터) 트랜지스터와, 레지스터 및 이들 두 전기 소자 사이의 상호접속부를 제공한다. 따라서, 본 발명의 다기능성 박막 층의 상이한 부분은 (1) 프린트헤드로부터 잉크 방울을 방출시키기 위한 열 레지스터와, (2) 선택적으로 레지스터를 구동(화이어링)시키기 위한 잉크 MOSTFT 트랜지스터 및 (3) 구동 트랜지스터와 레지스터 사이의 직접적인 전도성 통로로서 기능한다. 본 발명은 이러한 기능을 수행하기 위하여 다수의 박막 층을 사용해야만 하는 필요성을 상당히 제거한다.
본 발명의 바람직한 제조 과정은 5개의 석판 인쇄 마스크와, 2회의 금속 성막 공정만을 필요로 한다. 본 발명에 따른 구동 헤드 제조 과정은 시간과 재료 효율면에서 상당히 경제적으로 이루어진다. 더욱이, 본 발명의 과정은 전술한 장점을 갖는 보다 소형의 프린트헤드를 제공할 수 있다.
또한, 다기능성 박막 층이 폴리실리콘 또는 유사한 재료를 포함하는 경우, 트랜지스터 게이트와 레지스터 차원은 보다 소형으로 제조될 수 있어, 턴 온 에너지가 작은 프린트헤드를 제조할 수 있다. 전술한 바와 같이, 턴 온 에너지가 작으면, 신속하고 우수한 인쇄질을 보장한다. 또한, 레지스터가 보다 소형일수록, 잉크 방울을 보다 작게 분사시킬 수 있다. 잉크 방울이 보다 소형이 되면 분해능을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 박막 구동 헤드의 바람직한 실시예를 구체화하고 있는 프린트헤드를 포함하는 잉크젯 프린터 펜의 사시도
도 2a 내지 도 2e는 드라이버 헤드의 바람직한 실시예의 제조를 도시하고 있는 부분 단면도
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
12 : 펜 본체 20 : 프린트헤드
23 : 노즐 24 : 저장소
26 : 레지스터28 : 회로
32 : 트랜지스터40 : 기재
46 : 다기능성 박막 층 54 : 게이트
도 1을 참조하면, 본 발명의 구동 헤드는 잉크젯 펜(10)내에 합체되어 있다. 바람직한 펜(10)은 저장소(24)를 형성하는 펜 본체(12)를 포함한다. 저장소(24)는 일정량의 잉크를 보유하도록 형성된다. 프린트헤드(20)는 펜 본체(12)의 저면(14)에 끼어맞춤되며 저장소(24)로부터 잉크 방울을 분사하는 것을 제어한다. 프린트헤드는 인쇄기간중 소정의 제어 패턴으로 잉크를 방출하기 위한 한 세트의 노즐(22)을 구비한다. 각각의 노즐(22)은 프린트헤드(20)에 형성된 화이어링 챔버(16)와 유체 연통한다.
펜은 펜 저장소(24)내에 잉크 공급부를 포함한다. 공급부 도관(도시안함)이 프린트헤드(20)에 형성된 잉크 채널(도시안함)로 잉크 저장소(24)로부터 잉크를 유도한다. 잉크 채널은 이를 통해 이동하는 잉크가 각각의 화이어링 챔버(16) 및 각각의 노즐(22)과 유체 연통할 수 있도록 형성된다.
프린트헤드로의 전도성 구동 배선이 펜 본체(12)의 외부에 장착된 회로(28)에 형성되어 있다. 회로 접촉 패드(30)(도 1에 확대 도시됨)는 구동 배선의 단부가 프린터 캐리지(도시안함)에 부착된 대응 회로상의 유사 패드와 결합된다.
도 2e는 구동 헤드의 부분 단면도를 도시한다. 각각의 화이어링 챔버(16)는 박막 레지스터(26)와 결합한다. 레지스터(26)는 바람직하게 MOSTFT형 구동 트랜지스터(32)를 포함하는 펄스 구동 회로로 선택적으로 구동(가열)된다. 바람직하게, 트랜지스터(32)는 소스 확산 영역(46a), 게이트(54), 채널(46b) 및 드레인 확산 영역(46c)를 갖는 MOSTFT 실리콘 게이트 트랜지스터로 구성되며, 이들은 모두 각종 소자(예컨대, 레지스터)와 전기 접촉 영역을 형성하여 전기 회로를 이룬다.
각각의 레지스터(26)는 상호접속부(46d)를 통하여 구동 트랜지스터(32)와 전기적으로 연통한다. 트랜지스터(32)는 챔버(16)에서 약간의 잉크를 순간적으로 증기화시켜서 노즐(22)을 통해 방울을 강제하도록 충분한 전류로 레지스터(26)를 선택적으로 구동시킨다.
또한, 레지스터(26)는 도 2e에 개략적으로 도시된 바와 같이, 프린터 유니트의 외부에 배치된 종래의 드레인 전압 공급원(48c)과 전도성 구동 배선을 통하여 전기적으로 연통한다.
트랜지스터 소스 확산 영역(46a)은 전도성 구동 배선을 통하여 외부 그라운드(48a)에 연결된다. 또한, 외부 도선(48b)이 전도성 구동 배선을 통하여 게이트(54)에 연결된다.
레지스터(26)를 화이어링하기 위한 신호는 마이크로프로세서에 의해서 발생되며, 구동 배선을 통하여 트랜지스터에 신호를 제공하는 드라이버에 연관된다. 트랜지스터(32)는 전기적 "스위칭" 장치로서 작동하여 상호접속부(46d)를 통하여 화이어링 신호를 레지스터(26)에 보낸다.
도 2e를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 박막 장치는 적어도 하나의 MOSTFT 구동 트랜지스터(32)와, 적어도 하나의 레지스터(26)와, 구동 트랜지스터와 레지스터 사이의 제 1 상호접속부(46d)와, 프린트헤드(20)의 내부 회로[즉 트랜지스터(32), 레지스터(26) 및 상호접속부(46d)]와 펜(10)의 외부 구동 회로 사이의 제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c)를 포함한다. 박막 구동 헤드 장치는 잉크 배리어(72)와 오리피스판(76)에 연결되어 있다.
이하에서, 우선 박막 구동 헤드 장치의 바람직한 실시예의 제조 방법과 작동 방법을 기술한다.
도 2a는 바람직한 실시예에 있어서, 종래의 IC 실리콘 웨이퍼를 포함하는 기재(40)를 도시하고 있다. 다른 실시예에 있어서, 기재(40)는 기재 표면에 절연 재료를 부착할 수 있는 상당히 강성의 내열 재료를 포함할 수도 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 비교적 두꺼운 절연 층(42)(또한, 유전체로 칭함)이 기재(40)(도 2a)에 성막된다. 바람직한 절연 층(42)은 당해 기술분야에 공지되어 있는 기술에 의하여 기재(40)상에서 열적으로 성장하는 실리콘 이산화물을 포함한다. 예를 들면, 스퍼터 성막된(sputter deposited) 실리콘 일산화물 또는 이산화물, 붕인산 규산염 유리(borophosphate silicate glass) 또는 PECVD(인헨시브먼트형 플라스마 화학 증착법) 실리콘 질화물 등과 같은 다른 재료가 절연층(42)으로서 역할을 할 수도 있다. 절연 층(42)은 약 1.7㎛ 두께가 바람직하다.
절연 층(42)은 그 표면에 형성될 회로에 대해 열적 및 전기적 절연체로서 역할을 할 수도 있다.
바람직하게는, LPCVD(저압 화학 증착법)에 의하여 성막된 폴리실리콘을 포함하는 다기능성 박막 층(46)이 절연 층(42)상에 균일하게 성막된다. 또한, 다기능성 층(46)은 PECVD로 성막된 실리콘 카바이드를 포함할 수도 있다. 다기능성 층(46)의 두께는 약 0.3㎛가 바람직하다. 절연 층(42)은 생략될 수도 있으며, 다기능성 박막 층(46)이 소망 재료를 직접적으로 수용하기에 적합한 유전율과 열 전도율을 갖는 다른 어떤 기재 재료에 직접 성막될 수도 있다는 것을 알 수 있다.
다기능성 층(46)의 영역들은, (1) 레지스터(26)를 선택적으로 구동시키는 MOSTFT 트랜지스터(32) 소자와, (2) 열 레지스터(26) 및 (3) 구동 트랜지스터와 레지스터 사이의 직접적인 전도성 통로인 상호접속부로서 기능을 한다.
다기능성 층(46)을 성막한 후, 층의 전체 깊이를 따라 균일하게 도핑하여 층의 전도성을 증가(즉, 층의 열 저항을 감소)시킨다. 도핑된 다기능성 층(46)의 영역(또한 부분으로서 칭함)들은 결국에 트랜지스터 게이트 영역(46b)과, 열 레지스터 영역(46e) 및 회로 배선(46d)으로서 역할을 한다. 다기능성 층(46)의 부분(46e)을 열 레지스터(26)로 사용하기 위하여 층(46)은 후술한 바와 같이 2회 도핑된다.
바람직한 실시예에 있어서, 다기능성 층(46)은 당해 기술분야에 널리 공지된 이온 주입법(ion implantation techniques)에 의하여 비소 또는 인으로 도핑된다.또한, 층(46)은 예를 들면, 옥시염화인, 삼염화붕소, 삼브롬화 붕소 등과 같은 고전적인 화학 도펀트로 열 확산 기술을 사용하여 도핑될 수도 있다. 다기능성 층(46)은 약 20 × 1012atoms/cm2에 대해서 약 4 × 1012atoms/cm2레벨로 이온 주입하여 도핑하는 것이 바람직하다.
그 후, 게이트 산화 층(50)이 바람직하게는 약 500 Å(도 2a)의 두께로 다기능성 층(46)에 균일하게 성막되는 것이 바람직하다. 게이트 산화 층(50)은 열적으로 성장한 실리콘 이산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, RTA[급속한 열 어닐링(rapid thermal annealing) 또는 RTO로 알려진 급속 열 처리과정 또는 RTO, 산소분위기하의 급속 열 산화] 방법이 성막 게이트 산화 층(50)의 성막에 사용될 수 있다. RTA는 예컨대, 100Å 미만의 매우 두께가 얇은 게이트 산화 층에 바람직한 성막 방법이다. 게이트 산화 층(50)이 종래의 구동 헤드에 사용된 알루미늄 기재의 MOS 게이트와 비교하여 보다 박막이면, 문턱 전압(threshold voltage)이 보다 낮아지므로 장치가 보다 신속하게 작동한다.
이온 주입 방법이 다기능성 층(46)의 도핑에 사용된다면, 웨이퍼는 이후에 어닐링처리된다. 그러나, 게이트 산화 층(50)의 열적 성막이 약 1000 ℃의 고온에서 수행된다면, 웨이퍼 어닐링과 게이트 산화 층의 성막이라는 이중의 기능을 수행할 수도 있다. 어닐링에 의해 도펀트를 수평 및 수직하게 확산시킬 수 있음을 주목할 만하다. 따라서, 도펀트로서는 이러한 상승된 온도에서 크게 확산되지 않는 것이 바람직하다. 열 확산 방법이 다기능성 층(46)의 도핑에 사용된다면, 어닐링단계는 필요치 않으며, 당해 기술분야에 공지되어 있는 열을 사용하지 않는 게이트 산화 성막 과정(non-thermal gate oxide deposition processes)이 사용될 수도 있다.
그 후, 박막 층(54)은 트랜지스터 게이트(도 2a에 "ℓ1" 으로 도시됨)를 형성하도록 성막, 패턴화 및 에칭된다. 게이트(54)는 LPCVD에 의하여 약 0.4 ㎛의 두께로 성막된 폴리실리콘을 포함하는 것이 바람직하다. 게이트(54)는 예를 들면, 염소 또는 카본 4 염화물과 같은 에칭제를 사용하여 플라스마 에칭, RIE(반응성 이온 에칭), 또는 이온 밀링(milling) 등과 같은 종래의 건조 에칭 기술을 사용하여 에칭된다. 그러나, 어떠한 에칭제도 게이트 층(54)의 불필요한 부분을 선택적으로 제거하고 다기능성 층(46)을 남겨두기에는 충분하지 않다. 게이트(54)의 치수는 도 2의 평면에 수직으로 측정된 길이(도 2a의 "ℓ1") 및 약 10㎛ 폭이 바람직하다.
게이트(54)의 패턴화 및 에칭 후 남아 있는(패턴 에칭 후) 게이트 층(54)의 부분이 2 차로 도핑되도록 한다. 따라서, 게이트 층(54)이 게이트(또한 채널 또는 트랜지스터의 활성부로 칭함) 하방의 다기능성 층(46)의 부분(46b)이 제 2 도핑 과정 동안 도핑되지 않게 한다.
제 2 도펀트는 다기능성 층 부분(46b)을 제외한 모든 다기능성 층(46) 및 게이트(54)의 모든 부분에 선택적으로 첨가되어 이 부분들의 전도성을 증가시킨다. 게이트(54) 하방의 다기능성 층 부분(46b)은 이 과정동안 도핑되지 않는 유일한 다기능성 층(46)의 부분이다. 제 2 도핑 단계는 이온 주입 방법에 의하여 도포되는 또는 비소나 붕소를 포함하는 도핑량이 큰 고 에너지의 도펀트인 것이 바람직하다.제 2 도펀트의 도핑 레벨은 약 3 ×1014atoms/cm2내지 약 1 ×1015atoms/cm2가 바람직하다.
제 2 도펀트는 트랜지스터 소스 확산 영역(46a)과, 트랜지스터 드레인 확산 영역(46c)과, 상호접속부(46d) 및 레지스터(26)의 작동부(46e)로서 작동할 다기능성 층(46)의 이들 부분의 전도성을 증가시킨다. 제 2 도펀트 레벨은 레지스터(26)의 최종 저항율과, 박판 저항율 및 열 계수를 조절하도록 사용될 수도 있다. 또한, 제 2 도펀트의 도핑량은 다기능성 층(46) 부분 즉, 트랜지스터(32)와 레지스터(26) 사이의 전도성 통로 또는 상호접속부로서 역할을 하는 이 부분의 바람직하지 못한 저항을 감소시키도록 조절될 수도 있다.
또한, 게이트(54)에 도핑하면, 게이트를 트랜지스터의 전극으로서 기능하도록 할 수 있다. 그러나, 게이트(54)를 관통하여 도펀트는 게이트 하방의 다기능성 층의 채널부(46b)를 도핑하지 않는다. 트랜지스터의 채널 부분(46b)을 도핑하지 않고 정확히 레지스터(26)의 활성부(46e)를 도핑함으로써, 레지스터(26)의 전도도가 제 2 도핑 과정을 통하여 트랜지스터(32)의 최종 전기적 특성에 독립적으로 조절될 수도 있다. 레지스터(26)를 독립적으로 도핑하면, 각각의 디바이스를 개별적으로 엔지니어링할 수 있게 한다.
바람직하게는, PECVD TEOS(테트라에틸옥시실란 : tetraethysilane)을 포함하는 공형(conformal) 박막 층(도 2b의 56a, 56b로 도시됨)은, 게이트 산화 층(50)과 게이트(54)의 노출된 부분 위에 균일하게 성막된다. 공형 층(56)은 약 500 내지1000Å 두께가 바람직하다.
그 후, 공형 층은 공형 층(56b)의 "레지스터 부분(resistor portion)" 위에 패턴화된다. 공형 층 부분(56a)이 게이트(54)의 양면에 스페이서(56a)를 형성하도록 에칭된다. 또한, 공형 층(56b)의 패턴화 및 에칭에 의해 레지스터(26)(도 2b)의 길이 "ℓ2"를 부가 형성한다. 공형 층의 에칭 부분 하방의 게이트 산화 층(50) 부분은 공형 층이 에칭될 때 동시에 에칭된다. 따라서, 2개의 게이트 산화 층 부분이 남는다[즉, 게이트(54)와 스페이서(56a) 아래의 부분과 패턴화된 공형 층(56b) 부분 바로 아래 부분)](도 2b).
공형 박막 층은 예를 들면, 당해 기술분야에 널리 공지되어 있는 RIE 플루오르화 에칭제를 사용하여 이방성 건조 에칭(anisotropically dry etched)되는 것이 바람직하다. 3 플루오르화메탄(trifluoromethane; CHF3) 실리콘 재료와 접촉하는 경우 그 에칭 과정이 느려지기 때문에 바람직한 에칭제이다. 따라서, 공형 층을 선택적으로 에칭하며 게이트 산화 층(50) 부분을 노출시킨다.
공형 층 부분(56b)이 레지스터(26) 길이부를 형성함과 더불어, 레지스터(26)를 보호하도록 기능한다. 게이트(54) 양 단부의 스페이서(56a)가 후술한 바와 같이, 규화물로부터 게이트(54)의 측벽을 보호한다.
열 전도성 부분(56b)의 두께는 레지스터가 화이어링되는 경우, 레지스터(26)로부터 화이어링 챔버(16)내의 잉크로 전달되는 열 에너지량에 직접적으로 영향을 준다. 따라서, 공형 층이 보다 박막일수록, 프린트헤드가 저 턴 온 에너지를 가진다. 프린트헤드가 저 턴 온 에너지를 가지면 전술한 장점을 가진다.
게이트 산화 층(50)과 레지스터 공형 층(56b)의 두께는 모두 종래 기술에 따른 알루미늄 기재의 레지스터에 필적할 만큼 당해 기술분야에 공지된 기술에 의하여 조절될 수도 있기 때문에, 본 발명에 따라 제조된 구동 헤드가 종래 기술의 잉크 젯 프린터에 개장될 수도 있음은 주목할 가치가 있다.
바람직하게는 내화성 금속인 박막 전도성 층(58)이 다기능성 층(46)과 게이트 층(54)의 노출 부분 최상부에 성막된다. 전도성 층(58)이 내화성 금속을 포함하는 경우, 규화물을 형성하기 위하여 하부의 다기능성 층 및 폴리실리콘 게이트(54)와 반응한다. MOS 디바이스상의 금속 성막은 당해 기술분야에 있어서 규화물(또는 자체 정렬 규화물)로 공지되어 있다. 또한, 규화물 층(58)으로 공지되어 있는 내화성 금속 층이 산화 스페이서(56a) 또는 산소계 부분(56b)의 상부에 형성되지 않는다. 따라서, 트랜지스터(32)로부터 레지스터(26) 및 게이트(54)까지의 전도성 통로 또는 상호접속부(46d)로서 역할을 하는 다기능성 층(46)의 부분만이 규화물로 된다. 규화물이 스페이서(56a)에 형성되지 않아서 게이트(54)와 소스 확산 및 드레인 확산 영역을 전기적으로 단락하는 것이 중요하다.
내화성 금속 층(58)은 당해 기술분야에 공지되어 있는 스퍼터링 기술에 의해 형성된 티타늄 또는 텅스텐으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나, 금속층(58)은 실리콘과의 금속 화합물을 형성할 수 있는 금속을 포함할 수도 있다.
내화성 금속 층(58)이 상호접속부(46d)와 게이트(54) 부분들이 비교적 높은 전도성 레벨(즉, 저항율이 낮음)을 가지도록 한다. 또한, 규화물 층은상호접속부(46d)로서 기능하는 다기능성 층의 바람직하지 못한 박판 저항(sheet resistance)을 감소시킨다. 또한, 게이트(54)의 상부에 형성된 규화물 게이트(54)와의 접촉 저항이 작게 하여 종래의 알루미늄 기재의 구동 헤드 장치와 비교하여 트랜지스터(32)의 전체 박판 저항을 감소시킨다. 그러나, 다기능성 층(46)의 레지스터 부분(46e)은 규화물이 아니므로, 저항율이 높게 유지된다.
패시베이션 층(62)이 구동 헤드 장치(도 2c)를 덮도록 그 다음 성막된다. 패시베이션 층(62)은 LPCVD 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드 또는 실리콘 산화 질화물을 포함하는 것이 바람직하다. 패시베이션 층(62)은 레지스터(26)와 다른 소자를 잉크젯 펜 내에서 사용되는 잉크 부식 작용으로부터 보호한다. 특히, 이러한 보호는 이들 부분에 가해지는 물리적 손상에 의해 구동 헤드의 작동 성능을 해칠 수 있으므로, 레지스터의 관점에서 중요하다.
캐비테이션 배리어(도시안함)가 패시베이션 층위에 성막될 수도 있다. 패시베이션 층과 레지스터를 덮는 캐비테이션 배리어는 절연 층(42)과, 레지스터(26) 및 패시베이션 층(62)에 대해 잉크 챔버로부터 방출되지 못하고 붕괴되는 잉크의 운동량에 의하여 발생되는 기계적 손상을 제거 또는 최소화한다. 바람직한 실시예에 있어서, 캐비테이션 배리어는 탄탈을 포함하지만, 예컨대, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다.
본 발명의 제조 과정에 따른 프린트헤드가 보다 소형이기 때문에, 소적의 잉크가 가열될 수 있으며 소적의 잉크 방울이 프린트헤드로부터 화이어링될 수 있다. 소적의 잉크를 가열함으로써, 더 적은 양의 잉크 방울이 방출되지 않고 챔버내에서붕괴된다. 챔버에서 소적의 잉크가 붕괴하기 때문에, 잉크 챔버(16)와 하부 층의 물리적 손상이 감소된다. 따라서, 패시베이션 층(62)이 부식성 잉크와 캐비테이션 배리어의 보호층으로서 충분한 역할을 할 수도 있다.
그 후, 패시베이션 층(62)이 제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c : 도 2d)를 위한 통로(64)를 형성하도록 패턴화 및 에칭된다. 층(62)이 전술한 바와 같이, 종래의 성막 과정 및 건조 에칭 과정을 사용하여 패턴화되고 및 에칭된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c)가, 예를 들면 티탄늄 삼질화물/알루미늄 또는 티타늄 텅스텐 금과 같은 금속을 포함한다.
제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c)는 널리 공지된 스퍼터링 기술을 사용하여 바람직하게 성막된다. 2회 스퍼터링이 사용될 수도 있지만, 오직 1회의 스퍼터링 챔버의 펌프 다운(sputter chamber pump-down)이 필요하다. 그 후, 제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c)는 패턴화 및 에칭된다. 제 2 상호접속부(68a, 68b, 68c)는 내부 구동 헤드 회로[트랜지스터(32) 및 레지스터(26)]를 외부 구동 회로에 연결한다.
특히, 트랜지스터(32)와 전기적으로 연통하는 레지스터(26)가 도 2e에 예시적으로 도시된 바와 같은 프린터 유니트 외부에 배치된 종래의 드레인 전압 소스(48c)와 상호접속부(68c)를 통하여 전기적으로 도통한다.
또한, 트랜지스터(32)의 소스 확산 영역(46a)은 상호접속부(68a)를 통하여 외부 그라운드(48a)에 연결된다. 마지막으로, 외부 도선(48b)이 상호접속부(68b)를 통하여 트랜지스터(32)의 게이트(54)에 연결된다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 이 지점에서, 트랜지스터(32), 레지스터(26), 상호접속부 회로는 완성되며, 연속 처리 단계는 화이어링 챔버(16)의 완성에 관련한다.
화이어링 챔버(16)의 잉크 배리어(72)는 감광성 중합체(도 2e)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 중합체는 화이어링 챔버(16)의 벽을 형성하며 레지스터(26)와 노즐(22) 사이의 간격을 결정한다.
레지스터(26) 바로 위의 잉크 배리어(72) 부분이 화이어링 챔버(16)(도 2e)를 형성하기 위하여 제조중 종래의 방식으로 제거된다(또는, 잉크젯 차단재가 선택적으로 도포됨). 화이어링 챔버(16)가 잉크 저장소(24)로부터 연결 채널 또는 도관을 통하여 잉크를 수용한다. 오리피스판(76)이 잉크 배리어(도 2e)의 상부에 접착된다. 오리피스판(76)은 방울의 형상과 방향을 제어하며 니켈로 제조되는 것이 바람직하다. 오리피스판(76)은 각각 시스템의 적어도 하나의 레지스터에 대응하는 다수의 노즐(22)을 포함한다. 특히, 오리피스판(76)은 박막 디바이스의 레지스터(26) 바로 위에 정렬되는 개구를 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 공형 박막 층(56a, 56b)은 제 2 도핑 과정 전에 도포되며, 패턴화 및 에칭된다. 공형 층(56a, 56b) 후에 도핑되면 스페이서(56a)가 제 2 도핑 과정 동안 다량 도핑되는 것으로부터 스페이서(56a) 하부의 게이트 산화 층(50)을 보호할 수 있다. 스페이서 바로 아래에 고밀도로 도핑된 게이트 산화 영역은 드레인 확산 영역(46c)에 대해 저 소스 확산 영역(46a)이 트랜지스터 소자(32)에 강복 전압을 유발하게 한다.
공형 층(56a, 56b)은 세 가지 기능을 수행한다. 첫째로, 패턴화된 경우, 공형 층의 부분(56b)은 레지스터의 길이부를 형성한다. 둘째로, 공형 층의 부분(56b)은 게이트 산화층(50)의 소스 확산 영역(46a) 및 드레인 확산 영역(46c)을 이후의 규화물 처리 공정으로부터 보호하는 스페이서를 형성한다. 끝으로, 공형 층은 전술한 바와 같이, 소스 확산 영역(46a) 및 드레인 확산 영역(46c)이 고농도로 도핑되는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 작동은 이하에서와 같다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 프린트헤드(20) 디바이스는 트랜지스터(32), 레지스터(26) 및 이들 둘 사이의 상호접속부(46d)를 3개의 기본적인 전기 소자로 한다. 전기적 구성요소는 챔버(16)로부터 프린트헤드 노즐(22)을 통하여 선택적으로 잉크 방울을 화이어링하는데 사용된다.
트랜지스터(32)는 프린트 헤드(20)의 외부에 배치된 소스로부터 도선(48b)을 거쳐 전기 전압을 인가받는다. 전류 스위치로서 작용하는 트랜지스터는 챔버(16)로부터 잉크 방울을 화이어링하기 위하여 상호접속부(46d)를 통해서 레지스터(26)로 전류를 선택적으로 유동시킨다. 전류는 소스 확산 영역(46a)으로부터 게이트(54)를 통하여 드레인 확산 영역(46c)로 이동한다. 전압이 게이트(54)에 인가된 경우, 다기능성 층 부분(46b) 또는 게이트 하부의 채널 표면에 전기장 효과가 생긴다.
게이트(54)가 전도성이 될 때까지 소스 확산 영역(46a) 및 드레인 확산 영역46c) 사이에 어떠한 전류도 흐를 수 없다. 전도성 채널(46b)이 게이트(54) 아래에 형성되도록 충분한 전압이 게이트에 가해지는 경우 게이트는 전도성이 된다. 이러한 충분한 전류 레벨이 문턱 전압으로 공지되어 있다. 따라서, 문턱 전압에 도달되어 채널(46b)이 형성되는 경우에만 전류가 트랜지스터(32)로부터 유동할 것이기 때문에, 트랜지스터(32)는 스위스로서 작동한다.
본발명의 디바이스의 문턱 전압 레벨은 다기능성 층(46)의 도펀트 농도에 좌우된다. 제 1 도펀트 공정은 게이트 영역(54)에 소망 농도의 도펀트를 형성한다.제 2 도핑 공정은 게이트 영역(54)보다 고농도로 소스 확산 영역(46a)과 드레인 확산 영역(46c)를 도핑하며, 트랜지스터(32)를 "온"으로 스위칭하여 레지스터(26)로 전류를 전도하는데 필요한 문턱 전압을 설정한다.
게이트 영역(54) 상부의 도체 또는 규화물 층(58)은 트랜지스터(32)를 작동시키는데 필요한 동력을 감소시키도록 게이트를 보다 전도성(즉, 게이트의 전체 박막 저항을 감소시킴)이 되게 한다.
2회의 도핑 과정을 통하여 고농도로 도핑된 레지스터(26)가 열 트랜스튜서로서 사용되어 드레인 확산 영역(46c) 및 상호접속부(46d)를 거쳐 트랜지스터(32)에 의하여 선택적으로 보내지는 전기 신호를 화이어링 챔버(16)의 잉크를 가열하는 가열 에너지로 변환시킨다.
전술한 실시예의 트랜지스터(32)의 작동이 "정상-오프(normally-off)" 또는 인핸스먼트형 MOSTFT의 관점에서 기술되었지만, 트랜지스터 소자는 "정상-온(normally-on)" 또는 공핍형 MOSTFT에서 작동할 수도 있다. 즉, 전도 채널(46b)이 제로 바이어스(즉, 게이트에 전압이 인가되지 않는 경우)로 존재한 후,트랜지스터 소자(32)가 정상-온 상태가 된다. 따라서, 연속 바이어스 또는 전압이 레지스터가 화이어링되는 경우를 제외한 공핍형 MOSTFT 게이트에 인가된다. 게이트의 전압이 오프되는 경우, 트랜지스터 소자는 "온" 상태이며, 전류는 레지스터에 전도되어 잉크 방울을 화이어링한다.
본 발명의 원리가 바람직한 실시예를 참조하여 기술 및 도시되어 있으며, 본 발명의 장치가 이러한 원리로부터 벗어남이 없이 보다 수정될 수 있음이 분명하다.
본 발명은 종래의 구동 헤드 장치의 전술한 단점을 제거한 열 잉크젯 프린트헤드용 집적 박막 구동 헤드 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명은 턴 온 에너지가 보다 적은 레지스터를 제공한다. 또한, 보다 소형의 구동 헤드 회로에 의하여 보다 소형의 프린트헤드가 제조되며, 실제적으로 프린터는 프린트헤드의 가열을 최소화하면서도 고속으로 우수한 인쇄질을 달성할 수 있다.

Claims (7)

  1. 열 잉크젯 프린트헤드 장치(20)용 구동 헤드에 있어서,
    스위칭 디바이스(32)와,
    상기 스위칭 디바이스로부터 이격된 열 트랜스듀서(26)와,
    기재(40, 42)상에 배치되고, 스위칭 디바이스의 활성부(46b)로서 기능하는 제 1 부분 및 열 트랜스듀서의 부분으로서 기능하는 제 2 부분(46e)을 구비하는 다기능성 층(46)을 포함하며,
    상기 다기능성 층은 또한 제 1 및 제 2 부분(46b, 46e)과 일체로 형성되고 그들 사이에 연속되어 제 1 및 제 2 부분(46b, 46e)를 상호접속하는 전도성 제 3 부분(46d)을 포함하여 제 3 부분(46d)이 전기적 신호를 스위칭 디바이스와 열 트랜스듀서 사이에서 이동시키는 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 헤드에 부착되는 잉크 챔버(16) 조립체를 포함하며, 상기 잉크 챔버 조립체는 잉크 배리어(72)와 상기 잉크 배리어위에 배치된 판재(76)를 포함하며, 상기 판재에는 잉크 방울을 분사하기 위한 개구가 형성되어 있는 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 디바이스(32)는 트랜지스터이며, 상기 트랜스듀서는 레지스터인 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다기능성 층(46)의 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분보다 비교적 저 농도로 도핑된 영역을 포함하는 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부분(46b)의 중앙 영역과 상기 제 3 부분(46d) 상부에 배치된 전도체 층(58)을 포함하여, 상기 제 1 부분의 중앙 영역과 상기 제 3 부분이 상기 제 2 부분(46e)보다 더 전도성인 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  6. 열 잉크젯 프린트헤드 장치(20)용 구동 헤드에 있어서,
    기재(40)와,
    상기 기재에 부착된 트랜지스터(32)와,
    상기 기재에 부착되고 상기 트랜지스터로부터 이격된 레지스터(26)와,
    상기 트랜지스터 부분(46b)과 상기 레지스터 부분(46e) 사이에 상호접속되고 이들의 적어도 일부분을 형성하는 전도성 재료(46a, 46b, 46e)의 단락되지 않는 연속 층을 포함하여, 상기 연속층이 상기 트랜지스터(32)와 레지스터(26) 사이에 전도성 경로로서 기능을 하는 부분(46d)을 갖는 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드.
  7. 열 잉크젯 프린트헤드 장치(20)용 구동 헤드를 제조하는 방법에 있어서,
    기재(40, 42)를 제공하는 단계와,
    상기 기재에 박막 층(46)을 형성하는 단계와,
    상기 박막 층을 도핑하여 전도성이 되게 하는 단계와,
    상기 박막 층의 제 1 부분에 레지스터(26)의 부분(46e)를 형성하는 단계와,
    상기 박막 층의 제 1 부분으로부터 이격된 박막 층의 다른 부분상에 트랜지스터(32)의 부분(46b)을 형성하여 상기 레지스터(26) 부분과 상기 트랜지스터(32) 부분을 동일 전도성 박막 층 재료인 상호접속부(46d)에 의해서 결합시키는 단계를 포함하는 열 잉크젯 프린트헤드 장치용 구동 헤드 제조 방법.
KR1019960062069A 1995-12-06 1996-12-05 열잉크젯프린트헤드장치용구동헤드및그제조방법 KR100387548B1 (ko)

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US08/568,209 1995-12-06
US08/568,209 US6758552B1 (en) 1995-12-06 1995-12-06 Integrated thin-film drive head for thermal ink-jet printer

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