KR100388180B1 - 액체 토출 헤드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
소자 기판상에 제1 간극 형성 부재와 고정 부분이 제공되고, 제1 간극 형성 부재와 고정 부재상에 가동 부재가 형성되고, 그 위에 제2 간극 형성 부재가 형성된다. 제1 간극 형성 부재가 제거되고, 벽재가 코팅되어 패턴 마스크에서 노광된다. 벽재는 패터닝되어 액류로 벽들과 액체 공급구들을 함께 형성하고, 제2 간극 형성 부재를 제거한다. 이로써, 가동 부재의 변위가 액체 공급구에 가까워지도록 조정된 상태로 가동 부재를 안정적으로 지지하는 사이드 스토퍼를 형성하기가 용이하게 만들 뿐만 아니라, 가동 부재와 사이드 스토퍼 사이의 미세한 간극을 매우 정밀하게 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 발포시킴으로써, 액체를 토출하는 액체 토출 헤드의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 발포시의 압력에 의해 변위하는 가동부재를 갖는 액체 토출 헤드의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 종이, 실, 섬유, 의복, 피혁, 금속, 플라스틱, 유리, 목재, 세라믹 등의 기록 매체에 대하여 기록하는 프린터, 복사기, 통신 시스템을 갖는 팩시밀리, 프린터부를 갖는 워드 프로세서 등의 장치, 또 다른 장치간에 적용할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 각종 처리 장치와 복합적으로 조합한 산업용 기록 장치에 적용할 수 있다.
이러한 측면에서, 본 발명에 사용되는 "기록"이란 용어는, 문자나 도형 등의 의미를 갖는 화상을 부여하는 것 뿐만 아니라 패턴 등의 의미가 없는 화상을 부여하는 것도 의미한다.
종래, 프린터 등의 기록 장치에 있어서, 유로(flow path)중의 액체 잉크에 열 등의 에너지를 제공하여 기포를 발생시켜, 그것에 따르는 급격한 체적 변화에 기초하는 작용에 의해서 토출구에서 잉크를 토출하여, 이것을 기록 매체에 부착시켜 화상 형성을 행하는 잉크 제트 기록 방법, 소위 기포 제트 기록 방법이 알려져 있다. 이 기포 제트 기록 방법을 이용하는 기록 장치는, 일반적으로, 미국 특허 제4, 723,129호 등에 개시되어 있는 바와 같이 잉크를 토출하기 위한 토출구와, 이 토출구에 연통하는 액류로(liquid flow path)와, 액류로 내에 배치된 잉크를 토출하기 위한 에너지 발생 수단으로서의 전기 열 변환체를 갖고 있다.
이러한 기록 장치 및 기록 방법에 따르면, 고 품질 화상을 고속으로 그리고 저소음으로 기록할 수가 있다. 동시에 이 기록 장치의 헤드에는, 잉크를 토출하기 위한 토출구를 고 밀도에 배치할 수가 있어서, 소형의 장치로 고해상도 기록 화상 또는 컬러 화상을 용이하게 얻을 수 있다고 하는 많은 우수한 점을 갖고 있다. 이 때문에, 이 기포 제트 기록 방법은 최근, 프린터, 복사기, 팩시밀리 등의 많은 사무실 기기에 이용되어 있고, 또한, 나염 장치 등의 산업용 시스템에도 이용되고 있다.
이와 같이 기포 제트 기술이 다방면의 제품에 이용됨에 따라서, 다음과 같은 여러가지 요구가 최근 더욱 높아지고 있다.
고 품질 화상을 얻기 위해서, 잉크의 토출 속도가 빠르고, 안정된 기포 발생에 기초하는 양호한 잉크 토출을 달성하기 위한 구동 조건을 규정한 액체 토출 방법 등이 제안되거나, 또한, 고속 기록을 가능하게 하기 위해서 뿐만 아니라, 액체 토출후의 유로내에의 액체를 재충전 속도가 빠르게 되도록 유로 형상을 개량한 액체 토출 헤드가 제안되고 있다.
상술된 헤드 외에도, 기포의 발생에 따라 발생하는 백파(back wave)(토출구와는 반대의 방향으로 향하는 압력)에 주목하여, 토출시에, 손실 에너지가 되는 백파를 방지하는 구조의 헤드가 특개평6-31918호 공보에 개시되어 있다. 이 공보에 기재의 발명에 따르면, 백파가 일시적으로 또한 간신히는 억제될 수 있다. 그러나, 기포의 성장과 삼각형 부분과의 상관 관계에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않고, 그 착상도 없기 때문에, 이 발명은 이하의 문제점을 포함하고 있다.
즉, 이 공보에 기재의 발명에서는, 발열체가 오목부의 바닥에 위치하고 있어 토출구와의 직선적 연통 상태를 제공할 수 없게 된다. 이로 인해, 각 액적(liquid droplet)의 형상이 안정되지 않고, 더욱이 기포의 성장은 삼각형의 각 정점 부분의 주위에서 시작하도록 허용되어 있기때문에, 기포는 삼각형의 판형 부재의 편측에서 반대측 전체까지 성장한다. 이로 인해 판형 부재가 존재하지 않은 것처럼 액중에서의 통상의 기포의 성장이 완성된다. 따라서, 성장한 기포에 있어서 판형 부재의 존재는 아무런 관계가 없는 것으로 되어 버린다. 반대로, 판형 부재의 전체가 기포에 둘러싸이기위해서, 기포의 수축 단계에서, 오목부의 바닥에 위치하는 발열체에의 리필은 액체중에 난류를 생기게하여, 그 오목부내에 미소 기포를 저류하는 원인이 되어, 기포 성장에 기초하여 토출을 행하는 원리 자체를 흐트러뜨리는 것으로 되어 버린다.
한편, 유럽 특허 공개 공보 제436,047호의 명세서에 개시된 바와 같이, 토출구 부근 및 기포 발생부 사이에 배치되어 그들을 차단시키는 제1 밸브, 및 기포 발생 유닛 및 잉크 공급부 사이에 배치되어 그들을 완전히 차단시키는 제2 밸브를 제공하여, 이들 밸브를 교대로 개폐시키는 것이 제안되고 있다(EP 공개 공보 제 436,047호의 도 4 내지 도 9 참조). 그러나, 본 발명에서 필요로 하는 것은 세개의 챔버를 두개로 각각 분할하는 것인데, 이는 토출시에 액적을 이에 함께 잉크가 흐르는 커다란 꼬리를 생성시키게 된다. 따라서, 기포가 성장하고 수축하는 통상 방법으로 발생되는 토출에 의해 형성된 것보다 세터라이트(satellite) 도트의 수가훨씬 많게 되고, 그 정렬이 소멸된다(추측건대, 이는 기포 소멸에 이어지는 메니스커스 수축(meniscus retraction)의 효과가 이용될 수 없기 때문이다). 또한, 리필시에, 기포의 소멸과 함께 기포 발생부에 액체가 공급된다. 그러나, 다음 발포가 발생될 때까지 토출구의 부근에 액체가 공급될 수 없기 때문에, 액적의 토출이 상당히 가변하고 토출 응답 주파수가 매우 작아진다. 그러므로, 본 발명은 실용적 레벨을 아직 달성하지 못한다.
이러한 점에서, 본 출원인은 상기 기술된 종래 기술과는 달리 액적을 효과적으로 토출시킬 수 있는 가동 부재(캔틸레버 방식으로 형성된 플레이트 부재 등, 이는 토출구측에 피벗으로부터 자유 선단(free end)이 제공됨)를 이용하는 많은 발명들을 제안한다. 일본 특허 출원 공개 번호 제9-48127호의 명세서에서, 가동 부재의 거동에 있어 약간의 이상조차도 제공되지 않도록 하기 위해 가동 부재에 토출량의 상한이 조절되는 발명이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 출원 공개 번호 제9-323420호의 명세서에서, 가동 부재의 자유 선단측, 즉 다운스트림측으로 공통 액체 챔버의 위치를 이동시킴으로써 가동 부재의 효과적인 활용에 의해 리필 용량이 증가되는 발명이 개시되어 있다. 이들 발명에 있어서, 성장하는 기포가 일시적으로 가동 부재에 의해 둘러싸이는 필요조건으로서의 모드가 적응되어, 토출구측에 대한 이러한 단계로부터 한꺼번에 자유롭게 된다. 그 결과로서, 액적 자체의 형성에 전반적으로 연관된 기포의 각 개별 요소에 대해 어떠한 주의도 없으며, 그들 사이의 상관관계에 대한 어떠한 주의도 없다.
이러한 관점에서 다음 단계에서는, 일본 특허 출원 공개 번호 제10-24588호의 명세서에서 액체 토출에 연관된 요소로서 압력파(음향파)의 전파에 의해 형성되는 기포 성장에 주목되면서 기포 발생 영역부가 가동 부재에 구애받지 않는 발명이 개시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 발명에서도 역시 액적 자체의 형성에 전반적으로 연관된 기포의 각 개별 요소에 대한 어떠한 주의도 없으며, 그들 사이의 상관관계에 대한 어떠한 주의도 없다.
종래, 막 비등에 의해 생성되는 기포의 전방 부분이 에지 슈터 타입(즉, 흐름 경로의 전방 부분 상에 토출구를 갖는 타입으로, 액체 흐름 방향을 변경시키지 않음)의 액체 토출 헤드에 대한 토출에 큰 영향을 미친다는 것이 공지되었지만, 기포의 전방부가 토출 액체 방을의 형성에 보다 효과적으로 기여할 수 있는 것에는 어떠한 주의도 없다. 그러므로, 이제 본 발명은 이에 관련된 기술적인 문제를 해결하는 것에 대해 연구를 하였으며, 가동 부재의 배치 및 생성 기포에 더욱 관심을 기울였다. 결과적으로, 본 발명은 이하 설명한 바와 같이 효과적인 방법을 얻게 되었다.
다시 말해, 흐름 경로 측벽의 모드에 주목하여, 기포의 성장과 함께 흐름 경로 측벽의 이용에 의해 가동 부재의 변위를 조절하도록 배열되어, 가동 부재를 조절함과 동시에 기포의 성장을 조절하기 위한 구조가 설계된다. 더 구체적으로, 가동 부재에 사용될 흐름 경로 측벽에 스토퍼의 제공으로 인해, 필요한 액체를 흐르게 하면서 성장 기포의 모드가 조절되고, 게다가 마이크로프로세싱에 대한 허용 범위가 보다 더 넓어질 수 있다는 것을 알 수 있었다.
일반적으로, 흐름 경로 내에 변위되는 가동 부재와, 가동 부재의 측방에 위치하는 흐름 경로 측벽 사이의 클리어런스(clearance)가 크면 클수록, 가동 부재를 배치할 때 제조로 인해 유발될 수 있는 변동을 흡수하기에 더 좋다. 그러나, 만약 클리어런스가 크면, 기포의 성장에 의해서 가동 부재와 가동 부재의 측방에 위치하는 흐름 경로 측벽과의 사이의 간극에 기포가 침입하여, 가동 부재 주위로 성장하여 가동 부재의 상면까지 성장하여 버리는 문제에 직면하게 된다. 결과적으로, 대안책은 없고 클리어런스를 가능한 한 작게해야 한다. 그러나, 측방에 위치하는 유로 측벽에 가동 부재의 스톱퍼 기능을 갖게하므로, 상기한 상반하는 요구를 함께 만족하는 것이 가능하다. 즉, 클리어런스를 크게 (예를 들면, 5㎛ 내지 8㎛)로 하여 액류로나 가동 부재의 제조에 기인하는 변동을 흡수 가능하게 한 구성으로도, 가동 부재가 기포의 성장과 함께 변위하여, 가동 부재와 스톱퍼와의 사이의 간극이 점차적으로 좁아지고, 3㎛ 정도의 간극 폭이 될 때 기포의 통과를 제한하기 시작한다. 그 측방에 배치된 스톱퍼와 가동 부재 서로 접촉하는 부분과 그 주변에는, 기포의 통과를 완전하게 차단할 수 있다. 즉, 가동 부재의 상면 주변에 기포가 생기지 않게 할 수 있다.
상술한 바와 같은 지식에 기초하여, 측방 스톱퍼가 제공된다. 이 경우, 기포 발생면으로부터의 기포 성장의 상한의 억제를 정확하게 조정하면, 가동 부재와 기포 발생면과의 사이의 공간에 있어서, 토출구와는 역방향으로의 기포 성장이 증대한다. 이 기포의 성장은 토출 효율을 저감할 수 있는 요인은 아니다. 따라서, 무시해도 좋다. 그러나, 본 발명자는 가동 부재의 변위에 대한 합리적인 이용에대하여 더욱 더 연구하였다. 그 결과, 가동 부재를 기포 발생면에 대하여 근접 (예를 들면, 20㎛ 이하)시킴과 동시에, 기포 발생면으로부터 떨어진 압력파 수신부를 가동 부재와 일체화함으로써, 기포의 성장을 가동 부재의 변위에 합리적으로 이용하는 것이 가능하다는 것을 알았다. 또한, 고정 단부로부터 자유단으로 연정하는 가동 부재는, 실제는 자유단과 고정단과의 사이에 가동상의 차이점이 생기는 것이 판명되었다. 이에 주목하여 검토한 결과, 실제적인 가동 부재의 이동에 따르는 공간 용적을 규정함으로써, 변동의 보정이 가능하다는 것을 알았다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가동 부재와 측방 스톱퍼와의 사이의 미소한 간극을, 보다 고정밀도로 또한 용이하게 형성하는 것이 가능한 액체 토출 헤드의 제조 방법을 제공하는 것이다. .
본 발명의 방법은 액체를 토출하기 위한 복수의 토출구와, 각 토출구에 일단부가 항상 고정되고, 액체에 기포를 생성하기 위한 기포 발생 영역을 갖는 복수의 액류로와, 기포를 발생하고 성장시키기 위한 에너지를 발생하는 기포 발생 수단과, 복수의 액류로에 각각 배치되어, 공통 액체 공급실과 통하는 복수의 액체 공급구와, 액체 공급구의 액류로측에 대한 간극에 의해 지지되는 고정 부분과 가동 부분을 갖는 가동부재를 갖는 액체 토출 헤드의 제조 방법에 있어서, 기포 발생 수단을 구비한 소자 기판 상에, 제1의 간극 형성 부재를 형성하는 단계; 제1의 간극 형성 부재와 소자 기판 상의 고정 부재 상에, 가동 부재를 형성하는 공정; 가동 부재의 가동 부분의 상면 및 측면에, 액류로의 측벽 및 액체 공급구와 간극을 형성하는 제2의 간극 형성 부재를 형성하는 단계; 제2의 간극 형성 부재를 가동 부재에 밀착한 상태로 하고, 제1의 간극 형성 부재를 제거하는 단계, 적어도 제2의 간극 형성 부재의 위 및 가동 부재의 주변에, 벽재를 형성하는 단계; 벽재를 패터닝하여 액류로 벽과 액체 공급구를 일괄하여 형성하는 단계; 제2의 간극 형성 부재를 제거하는 단계를 포함한다. 이 액체 토출 헤드의 제조 방법은, 또한, 상기 기포 발생 수단과 상기 가동 부재와 상기 액류로 벽과 상기 액체 공급구를 구비한 상기 소자 기판과, 상기 공통 액체 공급실을 구비한 천장판을 결합하는 단계를 또한 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 특징은, 액체를 토출하기 위한 복수의 토출구와, 각 토출구에 일 단부가 통하고, 액체에 기포를 발생시키는 기포 발생 영역을 갖는 복수의 액류로와, 기포를 발생하여 성장시키기 위한 에너지를 발생하는 기포 발생 수단과, 복수의 액류로에 각각 배치되어, 공통 액체 공급실과 통하는 복수의 액체 공급구와, 액체 공급구의 액류로측에 대하여 형성된 간극에 의해 지지된 고정 부분과 가동 부분을 갖는 가동 부재를 갖는 액체 토출 헤드의 제조 방법에 있어서, 기포 발생 수단을 구비한 소자 기판 상에, 제1의 간극 형성 부재를 형성하는 제1의 간극 형성층을 형성하고, 패터닝하는 단계; 기판 상의 제1의 간극 형성 부재가 점유하지 않은 부분에 제1 간극 형성 부재와 동일한 높이의 가동 부재의 고정부를 형성하는 단계; 제1의 간극 형성 부재와 고정 부재 상에, 가동 부재를 형성하는 단계; 가동 부재의 가동 부분의 위 및 측면에, 액류로의 측벽 및 액체 공급구와 간극을 형성하는 제2의 간극 형성 부재를 형성하는 단계; 제2의 간극 형성 부재를 가동부재에 밀착한 상태로 하고, 제1의 간극 형성 부재를 제거하는 단계; 적어도 제2의 간극 형성 부재의 위 및 가동 부재의 주변에, 벽재를 형성하는 단계; 벽재를 패터닝하여액류로 벽과 액체 공급구를 일괄하여 형성하는 단계; 제2의 간극 형성 부재를 제거하는 단계를 포함한다. 또한, 이 액체 토출 헤드의 제조 방법은, 상기 기포 발생 수단과, 상기 가동 부재와, 상기 액류로 벽과, 상기 액체 공급구를 구비한 상기 소자 기판과, 공통 액체 공급실을 구비한 천장판을 결합하는 단계를 포함한다.
또한, 제2의 간극 형성 부재를 형성하는 공정은, 제2의 간극 형성 부재를 형성하기 위한 제2의 간극 형성층을, 가동 부재를 피복하도록 형성하는 단계; 제2의 간극 형성층 상에, 제2의 간극 형성 부재를 형성하기 위한 마스크층을 형성하는 단계; 마스크층을 이용하여 제2의 간극 형성층을 건식 에칭함으로써 에칭하는 단계; 상기 건식 에칭 공정 후에, 웨트 에칭 공정에 의해 제2의 간극 형성층을 에칭하여, 제2의 간극 형성 부재를 형성하는 단계를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이, 건식 에칭 및 웨트 에칭을 제2 단계로 분할함으로써, 제2의 간극 형성 부재를 용이하게 고정밀도로 형성하는 것이 가능하다. 또한, 제1의 간극 형성 부재를 제거하는 공정이, 제1의 간극 형성 부재와 제2의 간극 형성 부재를 형성하기 위한 마스크층을 웨트 에칭 공정에 의해 일괄하여 제거하는 것이 바람직하다. 또한, 마스크층을 형성하는 단계는 제1의 간극 형성 부재로서 사용하는 막과 동일한 재료로 이루어진 막을 마스크층으로서 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 제조 공정수를 저감하고, 보다 저가의 액체 토출 헤드를 제조할 수 있다.
제1 간극 형성 부재의 재료는 Al/Cu, Al/Si 또는 다른 알루미늄 합금인 것이 바람직하고, 제2 간극 형성 부재의 재료는 TiW, W/Si, W 또는 다른 텅스텐 합금인 것이 바람직하다. 텅스텐 합금은 차광성을 가지고 있어서 노광시에 사용가능한마스크로서의 기능을 할 수 있고, 또한 희생층 등으로서의 Al막 패턴 또는 수지를 제거하기 위해 일반적으로 사용되는 에칭액에 대한 내성을 가지는 동시에, 특정의 에칭액(과산화수소)을 사용하여 제거될 수 있기 때문에 에칭 처리 공정이 선택적이 된다는 이점이 있다.
벽재를 패터닝하는 단계는 네거티브형 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 공정에 의해 액류로벽(liquid flow path wall)과 액체공급구를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 벽재를 패터닝하는 단계에 있어서, 노광 단계에 이용되는 마스크 패턴은, 액류로벽과 액체공급구에 대해, 가동부재 상에 있어서 제2 간극 형성 부재의 투영 면적보다 더 넓은 비감광부의 투영 면적이 제공되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 방법에 의해, 가동 부재의 변위를 규제하여 액제공급구를 폐쇄한 상태에서 가동 부재를 안정되게 지지하는 측편 스토퍼를 형성하는 것이 더 용이하게 되고, 또한 가동 부재와 측편 스토퍼 사이의 미세한 간극을 고정밀도로 더 용이하게 형성할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 액체 토출 헤드는, 기포를 발생시키는 수단에 의해 기포 생성 초기 단계에 기포가 거의 등방적으로 성장하고 있는 기간 내에 액류로와 액체공급구 사이의 연통 상태를 가동부재에 의해 즉시 차단할 수 있게 하고, 그러면, 토출구를 제외하고 액류로내를 실질적으로 밀폐하도록 구성된 구조에 의해, 기포 발생 영역에서의 기포 성장에 의해 발생된 압력파가 액체공급구측 또는 공통 액체 공급실측으로 전파되지 않도록 한다. 압력파의 대부분은 토출구측으로 향하게 되어, 토출력이 상당히 향상된다. 또한, 고점도 기록액이 기록지 등에 고속 정착에 사용된다거나 또는 흑색과 컬러 사이의 경계에 번짐을 해소하는데 사용될 때에도, 상당히 향상된 토출력으로 이와 같은 고점도 잉크를 양호한 상태로 토출할 수 있게 된다. 또한, 기록시의 환경적 변화로 인해, 특히 저온·저습 환경 하에서는, 토출구가 잉크 점성이 증가하는 영역이 더 많아지는 경향이 있고, 잉크는 사용 시작시에 몇몇 경우에 정상적으로 토출되지 않게 된다. 그런데, 이와 같은 환경하에서 조차, 본 발명은 처음부터 양호하게 토출할 수 있게 한다. 또한, 상당히 향상된 토출력에 의해, 기포 발생 수단으로서 사용되는 발열체의 크기를 축소할 수 있고 또는 이에 따라 토출을 위해 투입되는 에너지를 감소시킬 수 있다.
또한, 기포 발생 영역에서의 기포 성장의 압력파가 액체공급구 및 공통 액체 공급실측으로 전파되지 않는 것에 의해, 공통 액체 공급실측으로 액체의 이동이 거의 없고, 이에 의해 액적이 토출된 후에 토출구에서의 메니스커스의 후퇴량을 최소화할 수 있다. 이 결과, 액류로로의 정량의 잉크 보충(리필)을 완료하는 시간이 빨라지고, 이에 의해 고정밀도(정량)의 잉크 토출을 실시할 때의 토출 주파수를 상당히 향상시킨다.
또한, 기포 발생 영역에서, 기포는 토출구측에 크게 성장하는 동시에, 액체 공급구측으로의 성장을 억제한다. 이 결과, 기포소멸점이 기포 발생 영역의 중심부로부터 토출구측의 부분에 위치된다. 그러면, 발포 파워를 유지하면서 그 소멸력이 감소될 수 있다. 이것으로 인해 기포 발생 영역에서 기포 소멸력으로 인한 발열체의 기계적 및 물리적 파괴 수명이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 하나의 액류로 방향을 통한 단면도.
도 2는 도 1의 2-2' 선단면도.
도 3은 도 1의 3-3' 선단면도.
도 4는 "직선적 연통 상태"를 설명한 유로의 단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 1 내지 도 3에 도시한 구조의 액체 토출 헤드의 동작을 설명하는 도.
도 6a 및 도 6b는 액체 토출 헤드의 액류로 방향에 따라 취한 도 5a 및 도 5b에 이은 토출 동작을 설명한 단면도.
도 7a 및 도 7b는 액체 토출 헤드의 액류로 방향에 따라 취한 도 6a 및 도 6b에 이은 토출 동작을 설명한 단면도.
도 8a, 8b, 8c, 8d, 및 8e는 도 5b의 기포의 등방적인 성장 상태를 도시한 도.
도 9는 도 5a 내지 7b에 표시된 A 영역과 B 영역에서의 기포 성장의 시간 변화와, 가동 부재의 행동과의 상관 관계를 표시한 그래프도.
도 10은 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판의 단면도.
도 11은 소자 기판을 수직적으로 절단함으로써, 도 10에 도시된 소자 기판의 주요 소자를 개략적으로 도시한 단면도.
도 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 및 12i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 도.
도 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 13g, 13h, 및 13i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법을 설명하고, 도 12a 내지 도 12i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 14a 내지 도 14i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법을 설명하고, 도 13a 내지 도 13i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법을 설명하고, 도 14a 내지 도 14i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 천장판을 제조하기 위한 방법을 설명한 도.
도 17a 내지 도 17b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드의 소자 기판과 천장판과의 결합 단계를 설명하기 위한 도.
도 18a 내지 도 18i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법의 변화 형태를 설명한 도.
도 19a 내지 도 19i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법의 변화 형태를 설명하고, 도 18a 내지 도 18i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 20a 내지 도 20i는 본 발명의 제1 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법의 변화 형태를 설명하고, 도 19a 내지 도 19i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 21a 내지 도 21c는 본 발명의 제1 실시에에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법의 변화 형태를 설명하고, 도 20a 내지 도 20i에 도시된 단계를 연속하여 표시한 도.
도 22a 내지 도 22n은 본 발명의 제2 실시예에 따라 액체 토출 헤드에 사용된 소자 기판을 제조하기 위한 방법을 설명한 도.
도 23은 본 발명의 제3 실시예의 제1 변형예에 따른 액체 토출 헤드의 하나의 액류로 방향에 따라 취해진 단면도.
도 24는 도 23의 24-24' 선단면도.
도 25a 내지 도 25d는 본 발명의 제4 실시예에 따라 액체 토출 헤드를 도시한 도.
도 26은 본 발명의 액체 토출 방법이 적용될 수 있는 사이드 슈터 타입(side shooter type)의 헤드 예를 도시한 도.
도 27은 발열체의 면적과 잉크 토출량과의 관계를 도시한 그래프.
도 28a 및 도 28b는 본 발명에 따라 잉크 토출 헤드를 도시한 수직적인 단면도로, 도 28a에는 보호막이 제공되고, 도 28b에는 어떠한 보호막도 제공되지 않는 도.
도 29는 본 발명에 사용된 발열체를 유도하기 위한 파형을 도시한 도.
도 30은 액체 토출 헤드 위에 장착된 본 발명의 액체 토출 헤드를 갖는 액체 토출 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도.
도 31은 본 발명의 액체 토출 방법과 액체 토출 헤드를 사용하여, 액체를 토출함으로써 기록하는 장치의 전체 바디를 도시한 블럭도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1: 소자 기판
2: 천장판
3: 액류로
4: 발열체
5: 액체 공급구
6: 액체 공급실
7: 토출구
8: 가동 부재
9: 고정 부재
10: 유로 측벽
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 양호한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 하나의 액류로의 방향을 따라 절취한 횡단면도이다. 도 2는 도 1의 2-2 라인을 따라 절취한 횡단면도이다. 도 3은 도 1의 토출구 중심으로부터 Y1 점에서 천장판(2)측으로 시프트한 3-3 라인을 따라 절취한 횡단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 액로-공통 액실의 모드를 갖는 액체 토출 헤드의 경우, 소자 기판(1) 및 천장판(2)은 액로측 벽(10)을 통해 적층 상태로 고정된다. 양 판(1과 2) 사이에는, 한 단이 토출구(7)와 통하며, 다른 한 단은 폐쇄된 액류로(3)가 형성된다. 액류로(3)는 하나의 헤드에 다수 설치된다. 또한, 소자 기판(1)의 경우, 액류로(3)에 대해 각각 각 액류로(3)에 공급된 액체에 기포를 발생하기 위한 수단으로 기능하는 전기 열 변환 디바이스 등의 발열체(4)가 배치된다. 각 발열체(4)가 토출액과 접촉하는 근방 영역에는 발열체(4)가 급속하게 가열될 때 토출액에 기포가 발생되는 기포 발생 영역(11)이 존재한다.
다수의 액류로(3) 각각에 대해, 공급부 형성 부재(5A)에 형성된 액체 공급구(5)가 배치되어, 각 액체 공급구(5)와 통하도록 공통 액실(6)이 설치된다. 즉, 단일 공통 액체 공급실(6)로부터 다수의 액류로(3)가 분기되어 형성되어, 각 액류로(3)와 통하는 토출구(7)로부터 토출된 액체의 양과 동일한 양의 액체를 공통 액체 공급실(6)로부터 공급받는다.
액체 공급구(5)와 액류로(3) 사이에는, 가동 부재(8)가 액체 공급구(5)의 개구 영역 S에 미소한 간극 α(예를 들어, 10 ㎛ 이하)을 가지고 실질적으로 평행하게 배치된다. 여기서, 적어도 가동 부재(8)의 자유단 및 거기로부터 연속되는 양 측에 의해 둘러싸인 영역이 액체 공급구(5)(도 3 참조)의 개구 영역 S보다 크게 만들어진다. 전술한 공급부 형성 부재(5A)는 도 2에 도시된 바와 같이 가동 부재(8)에 간극 γ를 통해 배치된다. 간극 γ은 유로의 피치에 따라 다르지만, 간극 γ이 큰 경우 가동 부재(8)가 개구 영역 S을 차단하기가 보다 용이하다. 본 실시예의 경우, 간극 α이 3 ㎛이며, 간극 γ은 3 ㎛이다. 또한, 가동 부재(8)는, 가동 부재에 개구 영역 S에 충분히 근접할 수 있도록 폭이 설치되도록, 유로측 벽(10)의 폭방향으로 개구 영역 S의 폭 W2보다 넓은 폭 W1을 갖는다. 참조 부호 8A에 의해 표시된 가동 부재(8) 부분은 복수의 가동 부재가 복수의 유로와 교차하는 방향으로 연속되는 연속단의 자유단측의 단부의 연장선 상에, 액체 공급구(5)의 개구 영역 S의 상류측 상의 단부를 규정한다(도 3 참조). 여기서, 가동 부재의 자유단(8B)의 토출구(7)측 상의 공급부 형성 부재(5A)는, 도 3에 도시된 바와 같이 액류로측 벽(10) 자체의 두께와 동일한 두께로 설정된다. 이러한 구성에 의해, 가동 부재(8)가 마찰 저항없이 액류로(3)로 이동할 수 있지만, 개구 영역 S에 대한 변위는 개구 영역 S의 주변부로 규제된다. 이와 같이 하여, 개구 영역 S를 실질적으로 폐쇄시킴으로써 액류로의 내부로부터 공통 액체 공급실(6)로의 액체 흐름을 방지시킬 수 있는 한편, 액류로측의 실질적으로 폐쇄된 상태를 재충전이 가능한 상태로 이동시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 가동 부재(8)는 소자 기판(1)에 대해소자 기판(1)과 평행하게 배치되어 있다. 가동 부재(8)의 단부(8a)는 소자 기판(1)의 발열체(4) 측 상에 배치되는 자유단이며, 다른 단 측은 고정 부재(9)에 의해 지지되어 있다. 또한, 이 고정 부재(9)는 토출구(7)에 반대측 상에서 액류로의 단부에 근접하여 배치되어 있다.
이러한 점에서, 개구 영역 S는 액체가 액체 공급구(5)로부터 액류로(3)를 향해 공급되는 영역이고, 도 1 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 이 영역은 본 실시예의 경우 액체 공급구(5)의 3개 변과 고정 부재(9)의 단부(9A)로 둘러싸여 있다.
또한, 도 4에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 전열 변환 장치로서 기능하는 발열체(4)와 토출구(7) 사이에는 밸브와 같은 방해물은 존재하지 않아, 액체 흐름에 대해 직선인 유로 구조를 제공하는 "직선적 연통 상태"가 유지되지만, 보다 바람직하기로는, 기포 생성 시에 발생된 압력파의 전파 방향과 이것에 따르는 액체 흐름 방향을 토출 방향과 직선적으로 일치시킴으로써 토출된 액적의 토출 방향 및 토출 속도 등의 토출 상태를 매우 높은 수준으로 안정화시킬 수 있는 이상적인 상태를 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 토출구(7)와 발열체(4), 특히 토출구측의 기포에 대해 영향력을 갖는 발열체의 토출구측(하류측)이 직접 직선으로 연결되는 구성으로만 배열되면 충분하여 상술된 이상적인 상태에 도달하거나 근접할 수 있다.
이는 액체가 유로에서 이동하지 않도록만 조절되면, 토출구의 외측으로부터, 특히 발열체의 하류측으로부터 관찰가능한 상태이다(도 4 참조).
지금부터, 본 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 토출 동작에 대해 상세히 기술하기로 한다. 도 5a 내지 도 7b는 도 1 내지 도 3에서 도시된 바와 같이 구조된 액체 토출 헤드의 토출 동작을 설명하기 위한 유로 방향으로의 액체 토출 헤드의 단면도로서, 이는 특징적인 현상을 도 5a 내지 도 7b에서 도시된 바와 같이 토출 동작을 6 단계로 나누어 도시한 것이다. 또한, 도 5a 내지 도 7b에서 참조 표시 M은 토출 액체에 의해 형성된 메니스커스를 나타낸다.
도 5a는 전기 에너지 등의 에너지가 발열체(4)에 인가되기 전의 상태를 도시한 것으로, 발열체가 열을 발생시키기 전의 상태를 나타낸다. 이 상태에서, 액체 공급구(5)와 액류로(3) 간에 배치된 가동 부재(8)와, 액체 공급구(5)가 형성되는 표면 사이에는 미소 간극(10㎛ 또는 그 이하)이 존재한다.
도 5b는 액류로(3)에 충전된 액체 중 일부가 발열체(4)에 의해 가열되며, 발열체(4)에서 막 비등이 일어나 기포(21)가 등방적으로 성장하는 상태를 도시한다. 여기서, "기포가 등방적으로 성장한다"라는 것은 기포 표면의 수직선 쪽으로의 기포 성장 속도가 기포 표면의 여러 위치에서 거의 동일하다는 것을 의미하는 것이다.
기포 생성의 초기 단계에서의 기포(21)의 등방적 성장 과정에서, 가동 부재(8)가 액체 공급구(5)의 원주면에 밀착하여 액체 공급구(5)는 폐쇄되고, 액류로(3)의 내부는 토출구(7)를 제외하고는 실질적으로 폐쇄된다. 이 때, 액체 공급구(5)에 대한 가동 부재의 자유단의 최대 변위량은 h1으로 정의된다.
도 6a는 기포(21)가 계속적으로 성장하고 있는 상태를 도시한다. 이 상태에서는, 상술된 바와 같이 액류로(3)의 내부가 토출구(7)를 제외하고는 실질적으로폐쇄되어 있기 때문에, 액체는 액체 공급구(5) 측으로 흐르지 않는다. 그 결과, 기포는 토출구(7) 측으로 크게 퍼질 수는 있지만, 액체 공급구(5)로는 거의 퍼지지 않는다. 그후에, 기포의 성장은 기포 발생 영역(11)에 있는 토출구(7) 측에서 계속된다. 반면에, 기포의 성장은 기포 발생 영역(11)의 액체 공급구(5) 측에서 멈춰 버린다. 즉, 이러한 기포 성장 정지의 조건을 기포 발생 영역(11)의 액체 공급구(5) 측 상의 기포 성장의 최대 조건을 나타내고 있다. 이 때의 발포 체적은 Vr로서 정의된다.
이제, 도 8a 내지 8e와 함께, 도 5a와 도 5b, 및 도 6a에서 기포 성장 과정에 대하여 상세한 설명을 한다. 도 8a에 도시한 바와 같이, 발열체가 가열될 때, 초기 비등이 발열체에서 발생한다. 그 후에, 도 8b에 도시된 바와 같이, 막을 가진 발열체를 덮는 기포가 막비등으로 변화하고, 막비등 상태의 기포는 도 8b와 도 8c에 도시된 바와 같이 등방적으로 계속해서 성장한다(기포가 등방적으로 성장하는 것을 반-필로우(semi-pillow) 상태라고 칭함). 그러나, 이제 도 5b에 도시한 바와 같이 액류로(3)의 내부가 토출구(7)를 제외하고는 실질적으로 밀폐될 때, 상류 측으로의 액체 이동은 더이상 지속되지 않는다. 그 결과, 반-필로우 상태의 일부분의 기포는 상류측(액체 공급구 측)에서 거의 성장하지 않고, 하부 측(토출구 측)의 남은 부분이 크게 성장한다. 도 6a, 도 8d, 및 도 8e는 이 상태를 나타낸다.
여기서, 설명의 편의상 발열체가 가열될 때, 기포가 발열체(4)에서 성장하지 않는 영역을 영역 B라 하고, 기포가 성장하는 토출구(7) 측 상의 영역을 영역 A라 한다. 이 점에 있어서, 기포 체적은 도 8e에 도시된 영역 B에서 최대가 되고, 그때의 발포 체적은 Vr로 정의한다.
다음에, 도 6b는 기포 성장이 영역 A에서 계속되고, 기포 수축이 영역 B에서 시작되는 상태를 도시한다. 이 상태에서, 기포는 영역 A에서 토출구 측을 향하여 크게 성장한다. 그 다음에, 영역 B에서, 기포의 체적이 감소하기 시작한다. 이런 식으로, 가동 부재(8)의 자유단이 그 강성에 의해 가해지는 복원력과 영역 B에서의 기포 소화에 의해 가해지는 힘에 기인하여 정상 상태의 위치로 하측 변위하기 시작한다. 그 결과, 액체 공급구(5)는 열리고, 공통 액체 공급실(6)와 액류로(3)가 도통 상태를 나타낸다.
도 7a는 기포(21)가 실질적으로 최대로 성장한 상태를 도시한 것이다. 이 상태에서, 기포는 영역 A에서 최대 성장을 보여주고, 이에 따라 기포는 영역 B에서 거의 존재하지 않는다. 이때의 영역 A에서의 최대 발포 체적을 Vf라 한다. 또한, 토출구(7)로부터 토출하고 있는 토출 액적(22)은 그것이 긴 꼬리를 끌고가는 상태에서 메니스커스 M과 여전히 결합되어 있다.
도 7b는 기포(21)의 성장이 중지된 단계를 도시하며, 오직 소화 단계 만이 남아 있는 한편, 토출 액적(22)과 메니스커스 M이 분리되어 있다. 영역 A에서 기포 성장이 기포 소화로 변화 된 직후에, 기포(21)의 수축 에너지는 전체 밸런싱에 관한 힘으로써 기능하며, 이 힘은 토출구(7)의 근방에 있는 액체가 상류 방향으로 이동할 수 있게 한다. 따라서, 메니스커스 M은 이 시점에서 토출구(7)로부터 액류로(3)의 내부로 인입되고, 토출 액적(22)과 연결되어 있는 액체 컬럼은 가해지는 강한 힘에 의해 급속히 분리된다. 한편, 기포의 수축과 함께, 액체는 공통 액체공급실(6)로부터 액체 공급구(5)로의 급류가 된다. 그 다음, 메니스커스 M을 액류로(3)로 급속하게 당기는 흐름이 급격히 감소하므로, 메니스커스 M이 비교적 느린 속도로 기포 발생 이전의 위치로 되돌아오기 시작하게 한다. 따라서, 진동 메니스커스 M으로부터의 복구 능력은 본 발명의 가동 부재를 채용하지 않는 액체 토출 방법에 비해 우수하다. 이러한 관점에서, 가동 부재(8)의 자유단의 기포 발생 영역(11)측으로의 변위의 최대량은 h2로 정의된다.
마지막으로, 기포(21)의 완전한 소멸과 함께, 가동 부재(8)는 도 5a에 도시된 것과 같은 정상 상태의 위치로 되돌아가게 된다. 가동 부재(8)의 복원력은, 가동 부재(8)가 이 상태에서 상향(도 7b에서 화살표로 표시되는 방향)으로 이동할 수 있게 한다. 또한, 이 상태에서, 메니스커스 M은 토출구(7) 부근으로 되돌아오게 된다.
이제, 도 9를 참조하여, 도 5a 내지 도 7b에서의 시간에 따른 기포 발생 체적의 변화와 영역 A 및 영역 B에서의 가동 부재의 동작 간의 관계를 설명하도록 한다. 도 9는 이러한 관계를 나타내는 그래프이고, 곡선 A는 영역 A에서의 기포 발생 체적의 시간별 변화를 나타내고, 곡선 B는 영역 B에서의 기포 발생 체적의 시간별 변화를 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, 영역 A에서의 기포 체적 성장의 시간별 변화는 최대값을 갖는 포물선을 나타낸다. 즉, 기포 발생의 개시에서부터 소멸까지의 기간동안, 기포 발생 체적은 시간 경과에 따라 증가하여 일정한 시간에서 최대값을 나타낸다. 그 후, 기포 발생 체적은 감소된다. 한편, 영역 B에서는, 기포 발생 개시로부터 소멸까지 더 짧은 시간이 소요된다. 또한, 영역 A에 비해, 기포의 최대 성장값은 작고, 최대 성장값에 도달하는 데에 요구되는 시간도 짧다. 즉, 기포 발생 개시에서 소멸까지의 시간과 기포의 성장 체적 변화는 영역 A 및 B에서 크게 다르다. 영역 B에서, 이들은 작다.
특히 도 9에서는, 기포 발생 체적이 성장 초기 단계에서와 동일한 타이밍으로 변화하도록 증가한다. 그 결과, 곡선 A 및 B가 중첩된다. 즉, 기포가 등방성으로(반-필로우로) 증가하는 기간은 기포 성장의 초기 단계에서 발생한다. 그 후, 곡선 A는 증가하지만 일정한 시간에 최대점에 도달하는 곡선을 그리고, 곡선 B는 곡선 A로부터 분기하며 기포 발생 체적의 감소를 나타내는 곡선을 그린다. 즉, 영역 A에서 기포 발생 체적이 증가하긴 하지만, 기포 발생 체적이 감소하는 동안의 기간(부분적 증가 부분 내의 수축 기간)이 영역 B에서 발생한다.
그 다음, 전술한 바와 같이 기포가 성장하는 방식에 기초하여, 가동 부재는 도 1에 도시한 바와 같이 그 자유단이 발열체를 부분적으로 덮는 모드에서 하기하는 바와 같이 동작한다. 즉, 도 9의 기간(1)동안, 가동 부재는 액체 공급구를 향해 상향으로 이동한다. 도 9의 기간(2)동안, 가동 부재는 액체 공급구와 접촉하며, 액류로의 내부는 토출구를 제외하고는 반드시 폐쇄된다. 이러한 폐쇄 조건은 기포가 등방성으로 성장하는 기간동안 발생한다. 다음으로, 도 9의 기간(3)동안, 가동 부재는 정상 상태의 위치를 향해 하향으로 이동한다. 부분적인 성장 부분에서의 수축 기간의 개시 이후 지정된 시간이 경과한 다음, 가동 부재는 액체 공급구를 해제하기 시작한다. 그 다음, 도 9의 기간(4)동안, 가동 부재는 정상 상태로부터 하향으로 더 이동한다. 다음으로, 도 9의 기간(5)동안, 가동 부재의 하향 변위는 거의 중지되며, 가동 부재는 해제 위치에서 평형 상태에 있게 된다. 마지막으로, 도 9의 기간(6)동안, 가동 부재는 정상 상태의 위치를 향해 상향으로 이동한다.
또한, 도 9의 설명으로부터 이해할 수 있듯이, 토출구(7)측상의 기포발생영역(11)에서 성장하는 기포(영역 A에서의 기포)의 최대 부피를 Vf로 주어지고, 액체공급구(5)측상의 기포발생영역(11)에서 성장하는 기포(영역B에서의 기포)의 최대 부피를 Vr로 주어지면, 본 발명의 헤드에 대해 Vf > Vr의 관계가 항상 만족된다. 더욱이, 토출구(7)측상의 기포발생영역(11)에서 성장하는 기포(영역 A에서의 기포)의 수명(기포 발생으로부터 소멸까지 요구되는 시간)을 Tf로 주어지고, 액체공급구(5)측상의 기포발생영역(11)에서 성장하는 기포(영역B에서의 기포)의 수명을 Tr로 주어지면, 본 발명의 헤드에 대해 Tf > Tr의 관계가 항상 만족된다. 그 후, 상술한 것과 같은 상기 관계를 정하기 위해, 기포가 소멸되는 포인트를 중심 위치로부터 토출구(7)상의 기포발생영역(11)내로 위치시킨다.
또한, 도 5b의 설명 및 도 7b의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, (h1 < h2)의 관계가 존재한다. 즉, 기포의 소멸과 함께 기포발생수단(4)측으로의 가동부재(8)의 자유 단부의 최대 변위를 나타내는 양 h2가 기포 소멸의 시작시 액체공급부(5)측으로의 가동부재(8)의 자유 단부의 최대 변위를 나타내는 양 h1보다 크다. 예를 들면, h1은 2um이고, h2는 10um이다. 상기 관계가 성립될 경우, 발열체의 후부(토출구쪽으로의 방향과 반대되는 방향)로의 기포 성장은 기포 발생의 시작시 억제되며, 발열체의 전측(토출구로의 방향)으로의 기포 성장이 진행된다. 이러한 방식에서, 발열체에 의해 생성된 기포발생력은 액체를 토출구로부터 날릴수 있을 정도의 액체 토출의 운동 에너지로 전환된다. 그 결과, 상기 전환의 효율이 증가한다.
본 발명의 헤드 구성 뿐만아니라 액체 토출 동작에 대해 설명이 되었다. 본 발명의 실시예에 따르면, 하류측으로의 기포의 성장 성분 및 상류츨으로의 기포의 성장 성분은 동일하지 않다. 상류측으로의 성장 성분은 거의 소멸되고, 따라서, 상류측으로의 액체 이동이 억제된다. 상류측으로의 액체 흐름을 억제할 경우, 상류측으로의 기포의 성장 성분은 손실되지 않고 대부분의 성분이 토출구로 향하여, 토출력을 상당히 증가시킨다. 토출량이 감소된 이후의 메니스커스의 만곡되는 양 및 개구 표면으로부터의 메니스커스의 돌출되는 양은 재충전시 적절하게 감소한다. 결과적으로, 메니스커스의 진동은 억제되어 저주파수에서 고주파수까지 모든 구동 주파수에서 토출을 안정화시킨다.
지금부터는 상술한 액체 토출 헤드의 제조 방법에 대해 설명할 것이다.
상술한 액체 토출 헤드의 발열체(4)를 구동하고 그의 구동을 제어하는데 필요한 회로 및 소자들은 각각이 실행하는 기능에 따라 소자 기판(1) 또는 천장판(2)상에 분리되어 배치된다. 또한, 소자 기판(1) 및 천장판(2)이 실리콘 재료로 형성되기 때문에 이러한 회로 및 소자들은 반도체 웨이퍼 공정 기술을 사용하여 쉽고 미세하게 형성될 수 있다.
지금부터는, 반도체 웨이퍼 공정 기술을 사용하여 형성한 소자 기판(1)의 구성을 아래에 설명할 것이다.
도 10은 상술한 다양한 실시예들의 액체 토출 헤드로 사용되는 소자 기판(1)를 도시하는 단면도이다. 도 10에 도시된 소자 기판(1)에 있어, 열축적층의 역할을 하는 열산화막(202) 및 이중 열축적층 역할을 하는 층간막(203)이 상기 순서대로 실리콘 기판(201)의 표면상에 적층된다. 층간막(203)으로서 SiO2막 또는 Si3N4막이 사용되고, 층간막(203)의 표면상에 저항층(204)이 형성되고, 저항층(204)의 표면상에 배선(205)이 국부적으로 형성된다. 배선(205)으로는 Al-Si, Al-Cu, 등과 같은 Al 합금 또는 Al이 사용된다. 배선(205)의 표면상에 저항층(204) 및 층간막(203). SiO2막 또는 Si3N4막으로 형성되는 보호층(206)이 형성된다. 보호층(206)의 표면부 및 그 주위 - 저항층(204)에 대응함 - 에, 상기 보호막(206)을 화학 및 물리적인 충격으로부터 보호하기 위하여 내캐비테이션막(cavitation proof film)(207)이 형성된다. 표면에 형성되는 배선을 가지지 않는 저항층(204)의 표면 영역은 저항층(204)의 열이 활성화되는 부분인 열작용부(208)이다.
소자 기판(1)상의 막은 반도체 제조 기술에 의해 차례로 실리콘 기체(201)의 표면상에 형성되고, 실리콘 기체(201)에 열작용부(208)가 구비된다.
도 11은 도 10에 도시된 것과 같이 소자 기판(1)상의 주요 디바이스를 수직으로 절단하여 소자 기판(1)을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, N형 웰 영역(422) 및 P형 웰 영역(423)이 P 전도체인 실리콘 기체(201)의 표면에 국부적으로 구비된다. 그 후, 일반적인 MOS 공정을 사용하여 이온 주입과 같은 불순물 주입 및 확산을 실행함으로써 PMOS(420)는 N형 웰 영역(422)에 구비되고, NMOS(421)는 P형 웰 영역(423)에 구비된다. P-MOS(420)는 N형 또는 P형 불순물을 N형 웰 영역(422)에 국소적으로 주입하여 형성된 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)과, 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)을 제외하고 수백 옹스트롬의 두께로 형성된 게이트 절연막(428)을 통해서 N형 웰 영역(422)의 표면에 피착된 게이트 배선(435)과, 몇몇 다른 소자들을 포함한다. 또한, N-MOS(421)는 N형 또는 P형 불순물을 P형 웰 영역(423)에 국소적으로 주입하여 형성된 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)과, 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)을 제외하고 수백 옹스트롬의 두께로 형성된 게이트 절연막(428)을 통해서 P형 웰 영역(423)의 표면에 피착된 게이트 배선(435)과, 몇몇 다른 소자들을 포함한다. 게이트 배선(435)은 4000 옹스트롬에서 5000 옹스트롬의 두께로 CVD 방법에 의해 피착된 폴리실리콘에 의해 만들어진다. 그후, C-MOS 로직은 이렇게 형성된 P-MOS(420) 및 N-MOS(421)에 의해 구조를 갖추게 된다.
N-MOS (421)의 것과 다른 P 형 웰 영역(423)의 일부분은 전자열 변환 디바이스를 사용하도록 하여주는 N-MOS 트랜지스터(430)를 제공받는다. N-MOS 트랜지스터(430)는 또한 불순물 주입 및 확산 공정 또는 그와 같은 것에 의해 P 형 웰 영역(423)의 표면층에 국소적으로 제공된 소스 영역(432) 및 드레인 영역(431)과, 소스 영역(432) 및 드레인 영역(431)을 제외하고 게이트 절연막(428)을 통해서 P 형 웰 영역(423)의 표면 일부분에 피착된 게이트 배선(433)과, 또다른 소자들을 포함한다.
본 실시예에 따라서 N-MOS 트랜지스터(430)는 전자열 변환 디바이스를 사용하도록 하여주는 트랜지스터로서 사용된다. 그러나, 트랜지스터가 개별적으로 다수의 전자열 변환 디바이스를 구동할 수 있고 상기 설명한 미세 구조를 획득할 수 있기만 하다면 트랜지스터는 이런 것에만 제한될 필요는 없다.
P-MOS (420) 및 N-MOS (421) 사이, N-MOS(421) 및 N-MOS 트랜지스터 (430) 사이와 같은 각각의 소자 사이에서, 산화막 분리 영역(424)은 5000 옹스트롬 에서 10000 옹스트롬 사이의 두께를 갖도록 필드 산화 수단에 의해 형성된다. 그후, 이런 산화막 분리 영역(424)의 배치에 따라서 이런 소자들은 서로 분리된다. 열 작용부(208)에 상응하는 산화막 분리 영역(424)의 일부분은 실리콘 기판(201)의 표면측면에서 보았을 때 제 1 층이 되는 열 축적 층(434)으로서 기능하도록 만들어진다.
P-MOS(420), N-MOS (421), 및 N-MOS 트랜지스터(430) 소자의 각각의 표면에서 PSG 막,BPSG 막 또는 그와 비슷한 층간 절연막(436)이 CVD 방법에 의해 약 7000 옹스트롬의 두께로 형성된다. 층간 절연막(436)이 열처리에 의해 평탄화된 후에 배선은 층간 절연막(436) 및 게트(get) 절연막 (428)에 대해 제공된 구멍을 통하는 콘택트를 경유하여 제 1 배선층이 되는 Al 전극(437)을 사용하여 배치된다. 층간 절연막(436) 및 Al 전극(437)의 표면 상에서 SiO2로 구성된 층간 절연막(438)이 10000 옹스트롬에서 15000 옹스트롬의 두께를 가지도록 플라즈마 CVD 방법에 의해서 형성된다. 열 작용부(208) 및 N-MOS 트랜지스터(430)에 상응하는 층간절연막(438)의 표면 상의 일부분에서 저항층(204)이 약 1000 옹스트롬의 두께를 가지도록 DC 스퍼터링 방법에 의해서 TaN0.8,hex막으로서 형성된다. 저항층 (204)은 층간 절연막(438)상에 형성된 구멍을 경유하여 드레인 영역(431)의 근방에서 Al 전극(437)에 전기적으로 접속된다. 저항층(204)의 표면 상에서 Al 배선(205)이 형성되어 전자열 변환 디바이스의 각각에 대해 제 2 배선이 된다.
배선(205), 저항층(204), 및 층간 절연막(438)들의 표면 상의 보호막(206)은 10000 옹스트롬의 두께가 되도록 플라즈마 CVD 방법에 의해서 Si3N4막으로서 형성된다. 보호막(206)의 표면 상에 피착된 내캐비테이션막 (207)은 Ta(tantalum), Fe(iron), Ni(nickel), Cr(chromium), Ge(germanium), Ru(ruthenium) 또는 그와 비슷한 것들로부터 선택된 최소한 하나 또는 그 이상의 비정질 합금으로 구성된 박막으로서 약 2500 옹스트롬의 두께를 가지도록 형성된다.
도 12a 내지 도 15c를 참조하여 가동 부재(8), 유로 측벽(10), 및 액체 공급구(5)가 도 1 내지 도 3에 도시된 소자 기판(1) 상에 배치되는 처리 공정이 설명된다. 이제, 도 12a 내지 도 15c 를 볼 때, 도 12a 내지 도 12c와, 도13a 내지 도 13c와, 도 14a 내지 도 14c와, 도 15a 내지 도 15c는 소자 기판(1) 상에 형성된 액류로(3)의 방향에 수직인 방향을 따라 발열체(4)의 중앙을 통과해 취해진 단면도들이다. 도 12d 내지 도 12f와, 도 13d 내지 도 13f와, 도 14d 내지 도 14f는 소자 기판(1) 상에 형성된 액류로(3)에 평행한 방향을 따라 액류로(3)의 중앙을 통과해 취해진 단면도들이다.
먼저, 도 12a, 도 12d 및 도 12g에 도시된 바와 같이, Al막 (제1 간극 형성층)은 약 20㎛의 두께로 스퍼터링법에 의해 발열체(4) 측 상의 소자 기판(1)의 평면 상에 형성된다. 이 Al막이 공지된 포토리소그래픽 프로세스의 이용에 의해 패턴화되어 발열체(4)와 전극부에 대응하는 위치에서 다수의 Al막 패턴들(25)을 형성한다. Al막 패턴들(25) 각각은 (간극을 조정하는) 제1 간극 형성 부재로서 기능하며, 소자 기판(1)의 표면 상에 배치되는, 발열체(4)와 후술되는 가동 부재(8) 사이에 간극을 형성한다.
Al막 패턴들(25)은 건식 에칭에 의해 밸브 구조를 형성할 때 에칭 저지층으로서 기능한다. 이러한 구조는, 내캐비테이션막(207)으로서 작용하는 Ta와 같은 박막과, 소자 기판(1)의 저항성 소자 상의 보호층(207)으로서 작용하는 SiN막이 에칭 가스에 의해 에칭되는 것을 방지한다. 또한, 액류로(3)가 건식 에칭에 의해 형성될 때, 발열체(4) 측부 상의 소자 기판(1)의 평면이 노출되지 않도록 하기 위해, Al막 패턴들(25)의 각각에서의 액류로(3)의 폭은 최후에 형성되는 액류로(3)의 폭보다 액류로(3)의 흐름 경로 방향의 수직 방향으로 넓어지게 된다. 또한, 건식 에칭 시에, CF4, CxFy, SF6가스의 분해에 의해 이온 시드와 이온 기가 발생되어, 소자 기판(1) 상의 발열체(4)와 기능 소자들이 몇몇 경우에 손상을 입을 수 있다. 그러나, Al막 패턴(25)은 이러한 이온 시트와 이온기들을 수취하여 소자 기판(1) 상의 발열체(4)와 기능 소자들이 손상되는 것을 방지한다.
그 다음, 도 12b, 도 12e, 도 12h에 도시된 바와 같이, Al막 패턴(25)의 표면과 소자 기판(1)의 표면 상에, 액류로 측벽(10)의 일부분을 형성하는 재료막으로서 작용하는 SiN막(26)이, Al막 패턴(25)을 덮도록 플라즈마 CVD 방식을 이용하여 약 20.0㎛ 두께로 형성된다.
그 다음, 도 12c, 도 12f, 및 도 12i에 도시된 바와 같이, Al막 패턴(25)의 표면과 SiN막(26)의 표면이 실제로 노출되는 Al막 패턴(25)의 표면과 동일 평면 상에 위치할 때까지, SiN막(26)이 CMP (Chemical Mechanical Polishing) 방식을 이용하여 연마되어 평탄해진다. 그 다음, 포토리소그래픽 프로세스가 후술되어지는 바와 같이 실행될 때 참조되는 얼라이먼트 패턴을 헝성하고 있다. 이러한 방식으로, Al막 패턴(25)이 액류로(3)가 되는 부분과 전극 패드가 되는 부분 상에 형성되고, SiN층(26)은 이들 부분들 이외의 부분 상에 형성된다. 따라서, 얻어진 이러한 조건에서, 액류로(3)가 되는 Al막 패턴(25)은 제1 간극 형성 부재로서 기능하고, SiN층(26)은 가동 부재용 고정부 (높은 받침대)로서 각각 기능한다.
다음은, 도 13a, 도 13d, 도 13g에 도시된 바와 같이, CMP방법을 이용하여 연마된 SiN막(26)과 Al막 패턴(25)의 표면 상에는, 가동 부재(8) 형성을 위한 재료 막인 SiN막(29)이 플라즈마 CVD 방법에 의해 약 3.0㎛의 두께로 형성된다. 그 다음, 형성된 SiN막(29)은, 액류로(3)의 일부가 되는 Al막 패턴(25)에 대응하는 SiN막(29)을 제외하고, 유전체 결합 플라즈마를 이용하는 에칭 장치에 의해 건식 에칭된다. 이 SiN막(29)은 최종적으로 가동 부재(8)가 되도록 형성된다. 그러므로, SiN막(29)의 패턴의 액류 경로 방향과 직교하는 방향에서의 액류로(3)의 폭은 최종적으로 형성되는 액류로(3)의 폭보다는 좁게 된다. 이 가동 부재(8)는 프리단부(8B)를 포함하는 가동부에 의해 형성되고, 높은 받침대에 결합된 고정부(8A)는 SiN층(26)에 의해 형성된다.
다음은, 도 13b, 도 13e, 및 도 13h에 도시된 바와 같이, TiW (티타늄-텅스텐) 막 (제2 간극 형성층)이 약 3.0 ㎛의 두께로 스퍼터링법에 의해 가동 부재(8)가 되는 SiN막(29)을 도포하도록 형성된다. TiW 막은 공지된 포토리소그래픽 프로세스의 이용에 의해 패턴화되어, 가동 부재(8)의 상부면과 액류로(3) 사이에 (도 1에 도시된) 간극 α 그리고 가동 부재(8)와 유로 측벽(10)의 양 측부들 사이에 (도 2에 도시된) 간극 γ를 형성하기 위해 SiN막(29)의 표면 및 측부상에 국부적으로 제2 간극 형성 부재(30)를 형성한다.
다음은, 도 13c, 도 13f 및 도 13i에 도시된 바와 같이, 액류로(3)가 되는 Al막 패턴(25)의 일부 (제1 간극 형성 부재)는 초산, 인산 및 질산의 혼합 용액을 이용하는 핫 에칭에 의해서 완전히 제거된다. 이 중대한 때에, 전극 패드가 되는 Al막 패턴(25)의 일부분은 상기의 혼합 용액에 의해 부식되는 TiW 막에 의해 형성된 제2 간극 형성 부재(30)에 의해서 보호된다.
다음은, 도 14a, 도 14d 및 도 14g에 도시된 바와 같이, SU-8-50 (제조사명 : Microchemical Corporation)과 같은, 적정량의 (공지된) 네가티브형 감광성 에폭시 수지(31)를 소자 기판(1) 상에 떨어뜨리고, 약 40 내지 60 ㎛의 두께로 스핀-코팅된다. 여기서, 상술한 스핀-코팅 프로세스에 의해, 원활하게 감광성 에폭시 수지(31)를 코팅하여 천장판이 결합된 유로 측벽(10)을 형성할 수 있다.
계속하여, 표 1에 표시된 조건에서, 가열판은 감광성 에폭시 수지(31)를 90℃에서 5분동안 프리 베이킹하기 위해 사용된다. 그 후, 도 14b, 14e 및 14h에 도시된 바와 같이, 마스크 패턴(32)이 배치되고, 노광 장치(캐논 : MPA 600)를 사용하여, 감광성 에폭시 수지(31)가 2 [J/㎠] 양의 노광에 노출된다.
<표 1>
재료 : SU-8-50 (마이크로케미컬 코포레이션에 의해 제조됨)
코팅 두께 : 50 μm
프리 베이킹 : 90℃, 5분, 가열판
노광 장치 : MPA 600 (캐논 미러 프로젝션 얼라이너)
노광량 : 2 [J/㎠]
PEB : 90℃, 5분, 가열판
현상제 : 프로필렌 글리콜 1 - 모노메틸 에테르 아세테이트 (기시다 가게꾸에 의해 제조됨)
정규 베이킹 : 200℃, 1시간
감광성 에폭시 수지(31)의 노광 부분은 경화되고, 노광되지 않은 부분은 경화되지 않는다. 그러므로, 상기 노광 단계에서, 액체 공급구(5)가 되는 부분 이외의 부분만이 노광된다. 여기에서, 제2 간극 형성 부재(30)는 차광 TiW막에 의해 형성되므로, 수지가 아래로 흐를 때 감광성 에폭시 수지(31)가 노광되지 않게 하는 마스크로서 기능한다. 그러나, 실제의 경우에, 감광성 에폭시 수지(31)는 가동 부재(8) 아래로 완전히 채워지는 것은 아니다.
그 다음, 도 14c, 14f, 14i에 도시된 바와 같이, 현상제인 프로필렌 글리콜1 - 모노메틸 에테르 아세테이트(기시다 가게꾸 제품)를 사용하여, 비감광성 부분(비노광 부분) 상의 감광성 에폭시 수지(31)는 제거된다. 이러한 방식으로, 액체 공급구(5)는 패턴 마스크(32)에 의해 차광되는 가동 부재(8) 상의 제2 간극 형성 부재(30)의 상부에 형성되고, 그 다음 액류로(3)가 TiW막에 의해 형성된 제2 간극 형성 부재(30)에 의해 차광되는 가동 부재(8)의 하부에 형성된다. 또한, 그 후에 정규 베이킹이 1시간동안 200℃에서 행해진다. 이와 관련하여, 패턴 마스크의 사용에 의한 비감광성 부분(비노광 부분)의 면적이 제2 간극 형성 부재(30)의 존재에 의한 비감광성 부분(비노광 부분)의 면적보다 작다. 그러므로, 액체 공급구(5)가 되는 홀 부분에 대한 개구 영역은 액류로(3)의 평탄한 영역(SiN 막에 의해 형성된 가동 부재(8)의 가동 영역)보다 작아진다. 그 결과, 도 14c 및 도 15a에 도시된 바와 같이, 액로 측벽(10)에 단차(step)가 생성된다. 이 단차는 가동 부재(8)의 변위를 조정하는 측방 스토퍼(33)가 된다. 여기에서, 감광성 에폭시 수지(31)의 경화된 부분에 의해 형성된 선단 스토퍼(34)(도 14f 및 도 15b 참조)도 또한 가동 부재의 변위를 조정하는 것이다. 마지막으로, 도 15a, 15b, 15c에 도시된 바와 같이, 제2 간극 형성 부재(30)로서 작용하는 TiW막은 과산화수소를 사용한 가열 에칭에 의해 제거된다.
상술된 바와 같이, 가동 부재(8), 액로 측벽(10) 및 액체 공급구(5)는 소자 기판(1) 상에 형성된다.
이제, 도 16a 내지 16d를 참조하여, 다수의 액체 공급구(5)와 통신하는 대용량의 공통 액체 공급실(6)이 구비된 천장판의 형성 공정에 대해 설명하겠다.
도 16a에서, 산화막(SiO2)(35)은 천장판(2)의 양쪽면에 대략 1.0μm의 두께로 형성된다. 그 다음, 이 SiO2막(35)은 공지된 포토리소그래픽 프로세스에 의해 패턴된다.
그 다음, 도 16b에 도시된 바와 같이, SiO2막(35)에 의해 덮어지지 않은 천장판(2)의 부분(즉, 공통 액체 공급실(6)에 대응하는 부분)은 제거를 위해 TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydride)를 사용하여 에칭되므로, 다수의 액체 공급구(5)에 액체를 공급하도록 공통 액체 공급실(6)을 천장판(2) 상에 형성한다(도 15a 내지 15c 참조). 이와 관련하여, 에칭은 도 16b에 도시된 바와 같이 경사진 벽면에 의해 둘러싸인 공통 액체 공급실(6)을 형성하기 위해 에칭의 진행 도중에 적절한 시기에 일시 정지된다.
다음에, 도 16c에 도시된 바와 같이, 액체 침식 방지막인 SiN 막(35)은 에칭된 표면(즉, 공통 액체 공급실을 둘러싸는 면)을 덮는 형태로 LP-CVD 방법에 의해 천장판(2)의 표면에 추가된다.
다음에, 도 16d에 도시된 바와 같이, 에폭시 수지층(36)은 소자 기판(1)으로의 접합면측 상의 천장판(2) 위에 약 1 내지 10 μm의 두께로 형성되어 접합층으로서 작용한다.
상술된 바와 같이, 공통 액체 공급실(6)이 구비된 천장판(2)이 형성된다.
이제, 도 17a 및 17b에 도시된 바와 같이, 다수의 액체 공급구(5)와 통신하는 공통 액체 공급실(6)이 구비된 천장판(2)은 소자 기판(1) 상에 적층되고, 그 위에 가동 부재(8), 액로 측벽(10) 및 액체 공급구(5)가 배열된 다음, 가열되어 가압 하에서 접합된 후에 고정된다. 또한, 토출구(7)를 갖는 노즐판은 각각의 토출구(7)가 각각의 액류로(3)와 면하는 방식으로 소자 기판(1)과 천장판(2)의 적층체의 에지 부분 상에 고정되어, 도 1 내지 도 3에 도시된 액체 토출 헤드를 완성한다.
(변동 모드)
지금, 도 18a 내지 도 21c를 참조하여, 본 실시예에 따라 변동 모드에 대해 설명한다. 도 13d, 13e, 및 13f의 표현으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 도 12a 내지 도 15c에서 도시된, 유로 측벽(10) 및 유체 공급구(5)가 가동 부재(8)를 위해 배열되는 단계는 액류로(3)가 되는 제1 간극 부재를 형성하는 Al 필름 패턴(25)을 제거하는 단계로부터 분리하여 실행되는 제2 간극 부재(제2 간극 형성층)를 형성하는 TiW 필름 패터닝을 위해 사용된 마스크를 제거하는 단계를 제공한다. 도 13d, 13e, 및 13f는 액류로(3)가 되는 제1 간극 부재를 형성하는 Al 필름 패턴(25)이 제2 간극 부재(제2 간극 형성층)를 형성하는 TiW 필름을 패터닝하기 위해 사용된 마스크가 제거된 후 제거되기 전의 상태를 도시한다.
다른 한편으로, 도 19a, 도 19d, 도 19g, 도 20c, 도 20f, 및 도 20i와 관련하여 이하에서 설명된 바와 같이, 본 실시예는 TiW 필름을 패터닝하기 위해 사용된 마스크를 제거하는 단계, 및 액류로(3)가 되는 제1 간극 부재의 형성을 위해 Al 필름 패턴(25)을 제거하는 단계를 위한 하나 및 동일 프로세스를 채택한다. 이 프로세스는 도 12a 내지 도 15c에서 도시된 것과 다르다. 본 실시예의 다른 프로세스는 도 12a 내지 도 15c와 관련하여 도시된 실시예의 것과 동일하다. 여기서, 도 18a 내지 도 18i 및 도 21a 내지 21c는 도 12a, 도 12d, 도 12g, 도 12c, 도 12f, 도 12i, 도 13a, 도 13d, 도 13g, 및 도 15a 내지 도 15c, 각각에 대응한다. 지금, 이하에서, 상세한 설명은 첨부된 도면을 이용하는 본 실시예로 구성될 것이다.
가동 부재(도 19a, 도 19d, 및 도 19g)가 되는 SiN 필름(37)를 커버하기 위해 대략 3.0 μm의 두께에서 스퍼터링 방법에 의해 TiW(제2 간극 형성층)가 생성된 후에, 알루미늄 필름(30a)이 도 20b, 도 20e, 및 도 20h에서 도시된 바와 같이 대략 1.0 μm의 두께에서 스퍼터링 방법에 의해 TiW 필름 상에 형성되고, 공지된 포토리소그래픽 프로세스(도 19c, 도 19f, 및 19i)를 사용하여 패터닝된다. 다음에, 마스크 물질로서 알루미늄 필름(30a)을 가지며, TiW 필름은 SF6, CF4, C2F6, CxFy, 또는 같은 종류(도 20a, 도 20d, 및 도 20g)의 가스 시드(seed)를 사용하는 ICP 에칭에 의해 대략 2.5 μm까지 에칭된다.
그 후에, 남은 TiW 필름은 H2O2용액(도 20a, 도 20d, 및 도 20g)을 사용하여 대략 0.5 μm 까지 에칭된다.
지금, 도 20c, 도 20f, 및 도 20i에 도시된 바와 같이, 액류로(3)가 되는 부분 상의 Al 필름 패턴(25)(제1 간극 형성 부재), 및 마스크층이 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위해 사용된 알루미늄 필름(30a)이 아세트산, 인산, 및 질산의 혼합 용액을 사용하여 핫(hot) 에칭에 의해 완전하게 전부 제거된다.
여기서, TiW 막의 기저층은 알루미늄 막 영역 및 SiN 막 영역을 혼합된 형태로 갖고 있기 때문에, TiW 막을 에칭할 때에는 건식 에칭 및 웨트 에칭이 2개의 스테이지 상에서 개별적으로 사용된다.
기본적으로, SF6, CF4, C2F6, CxFy같은 가스 시드를 사용한 IPC 에칭을 사용함에 의해서만 패턴을 형성하는 것이 바람직하지만, SiN 막 영역은 상기 언급된 가스에 대하여 에칭 선택비(etching selection ratio)가 더 높아서 TiW 막 에칭이 끝나야 하는 지점을 결정하는 것이 어렵게 된다.
여기서, 또한, 웨트 에칭에 의해서만, 본 테크닉이 등방성 에칭(isotropic etching)이 되어야 하기 때문에, 따라서 가동부재(8)의 막형성을 정확하게 제어하기 어렵게 된다.
따라서, 본 실시예에 따라, 상술된 바와 같이 상호의 장점들을 살려서 건식 에칭 및 웨트 에칭에 의해 패턴이 형성된다.
본 실시예에 대하여, TiW막을 패터닝하기 위해 사용된 마스크층(30a)을 제거하는 공정과, 액류로(3)가 될 제1 간극 부재를 형성하는 Al 막 패턴(25)을 제거하는 공정에 대하여 동일한 하나의 공정이 채택된다. 이것은 보다 낮은 가격에서 액체 토출 헤드의 제조에 대한 공정수가 감소하게 한다.
<제2 실시예>
이하, 가동부재(8), 액류로벽(10) 및 액체 공급구를 갖고 있는 소자 기판의 형태가 제1 실시예에 기술된 형태와는 다른 제2 실시예가 기술된 것이다. 여기서, 도 22a 내지 도 22n을 참조로 하여, 본 실시예의 특징을 나타내는 소자 기판의 제조 공정이 기술될 것이다. 이에 대하여, 제1 실시예와 동일한 구조에는 동일한 참조 번호들이 사용되며, 구조의 기술 및 그 형성 방법은 일부 생략될 것이다.
먼저 도 22a 및 도 22h에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 방법에 의해 TiW 막(도시 생략)이 소자 기판(1))의 발열체(4) 측의 면 상에 약 5000Å의 두께로 형성된다. 다음으로, Al 막(제1 간극 형성층)이 스퍼터링 방법에 의해 약 5㎛의 두께로 형성된다. 이 Al 막은 공지된 포토리소그래피 공정을 사용하여 패터닝되어, 발열체(4) 및 전극부에 상응하는 위치 상에 다수의 Al 막 패턴(25)을 형성한다. Al 막 패턴들(25) 각각은 소자 기판(1)의 표면 상에 형성된 발열체(4)와 후술된 가동 부재(8) 사이에 간극을 형성하는(간극을 규정하는) 제1 간극 형성 부재로서 기능한다. TiW 막(도시 생략)은 전극부에 대한 보호층이 된다.
다음으로, 도 22b 및 도 22i에 도시된 바와 같이, 소자 기판(1) 및 Al 막 패턴(25)의 표면에, 가동 부재(8)의 형성을 위한 재료로서 기능하는 SiN 막(37)을 플라즈마 CVD법에 의해 약 5.0㎛ 두께로 형성한다. 이어서, 형성된 SiN 막(37)은 유전 결합 플라즈마를 사용하는 에칭 장치를 사용하여 건식 에칭되어, 액류로(3)의 일부가 되는 Al 막 패턴(25)에 상응하는 SiN 막(37)의 일부를 남긴다. 이 SiN 막(37)이 최종적으로는 가동부재가 되도록 형성되기 때문에, SiN 막(37)의 패턴 상의 유로 방향에 수직인 방향의 액류로(3)의 폭은 최종적으로 형성되는 액류로(3)의 폭보다 더 좁아지게 된다. 이 가동 부재는 자유단을 포함하는 가동부 및 소자 기판(1)에 직접 본딩되어 있는 고정부로 구성되어 있다.
다음에, 도 22c 및 도 22j에 도시한 바와 같이, TiW막(제2 간극 형성층)은스퍼터링법에 의해 약 10.0㎛의 두께로 형성되어 가동 부재로 되는 SiN막(37)을 덮게 된다. TiW막은 공지의 포토리소그라피 공정을 사용하여 패턴화되어 SiN막(37)의 표면 및 측면에 국지적으로 제2 간극 형성 부재(38)를 형성함으로써 가동 부재의 상측 표면과 액체 공급구(5)간의 간극 α 및 가동 부재의 양측과 유로 측벽(10)간의 간극 β를 형성하게 된다.
그 다음에, 도 22d 및 도 22k에 도시한 바와 같이, 액류로(3)이 되는 Al막 패턴(25)의 일부분(제1 간극 형성 부재)는 아세트산, 인산 및 질산의 혼합액을 사용하는 핫 에칭에 의해 완전히 제거된다.
그 다음에, 적당량의 네거티브 타입 감광성 에폭시 수지(31), 예를 들면 SU-8-50(제품명: 마이크로케미칼사 제조)를 소자 기판(1)에 떨어뜨려 약 40 내지 60㎛의 두께로 스핀-코팅하게 된다. 여기에서, 상기한 스핀-코팅 공정에 의해, 감광성 에폭시 수지(31)를 유연하게 코팅하여 유로 측벽(10)을 형성하는 것이 가능하며, 이 측벽상에는 천장판(2)이 본딩되어 있다. 계속하여, 제1 실시예와 동일한 조건(표 1)에서, 열판을 사용하여 감광성 에폭시 수지(31)을 90℃에서 5분 동안 프리베이킹한다. 그 후, 도 22e 및 도 22i에 도시한 바와 같이, 마스크 패턴(32)을 설치하고, 노광 장치(캐논: MPA 600)를 사용하여 2[J/㎠]의 노광을 사용하여 노광시킨다.
감광성 에폭시 수지(310의 노광부는 경화되고, 노광되지 않은 부분은 경화되지 않는다. 따라서, 상기한 노광 단계에서, 액체 공급구(5)가 되는 부분 이외의 부분만 노광된다. 여기에서, 제2 간극 형성 부재(38)이 차광 TiW막에 의해 형성되고, 따라서 그것은 마스크로서 기능하여, 수지가 그 아래로 흘러들어갈 때 감광성 에폭시 수지(31)가 노광될 수 없도록 한다. 그 다음에, 도 22f 및 도 22m에 도시한 바와 같이, 현상액, 프로필렌 글리콜 1-모토메틸 에테르 아세테이트(기시다 가가꾸사 제조)을 사용하여 비감광성 부분(비노광 부분)의 감광성 에폭시 수지(31)는 제거된다. 이와 같이, 액체 공급구(5)는 패턴 마스크(32)에 의해 차폐되는 가동 부재상의 제2 간극 형성 부재(38)의 상측부에 형성된 다음에, 액류로(3)이 TiW막으로 형성된 제2 간극 형성 부재(38)에 의해 차폐되는 가동 부재의 하측부에 형성된다. 또한, 그 후에, 200℃에서 1시간 동안 통상의 베이킹을 행한다. 이 점에서, 패턴 마스크(32)를 사용한 경우의 비감광성 부분(비노광 부분)의 면적은 제2 간극 형성 부재(38)이 존재하는 경우의 비감광성 부분(비노광 부분)의 면적보다 작다. 따라서, 액체 공급구(5)가 되는 구멍 부분에 대한 개구 면적은 액류로(3)의 평탄면보다 더 작게 된다. 그 결과, 도 22g에 도시한 바와 같이, 유로 측벽(10)에 단차가 생생된다. 이 단차는 가동 부재의 변위를 조절하는 측방 스토퍼(33)가 된다. 여기에서, 감광성 에폭시 수지(31)의 경화 부분에 의해 형성된 선단 스토퍼(34)도 가동 부재의 변위를 조절하는 것이다. 마지막으로, 도 22g 및 도 22n에 도시한 바와 같이, 제2 간극 형성 부재(38)의 역할을 하는 TiW막은 과산화수소를 사용하는 핫 에칭에 의해 제거된다.
상기한 바와 같이, 가동 부재(8), 유로 측벽(10) 및 액체 공급구(5)는 소자 기판(1)상에 형성된다.
그 다음 제1 실시예에서와 같이, 공통 액정 공급실(6)에 천장판(2)을 구비하고, 토출구를 갖는 노즐판이 접착되어 액정 토출 헤드를 완성한다.
본 실시예에 따라 제조된 액정 토출 헤드는 가동 부재와 액정 공급구 사이에 제1 실시예에서 제공하는 것보다 넓은 간극을 갖고, 이 구조는 액정이 발포되지 않는 경우 토출구를 제외한 액류로가 실질적으로 페쇄되어 있는 구조이다.
(변이 모드)
도 22c 및 22j로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 도 22a 내지 22n에 도시된 단계에서 액로측벽(10)과 액정 공급구(5)가 가동 부재(8)용으로 마련되고, 제2 간극 부재 (제2 간극 형성층)를 형성하는 TiW막을 패터닝하기 위해 사용된 마스크를 제거하는 단계를 구비하고, 이 단계는 액류로(3)에 알맞은 제1 간극 부재를 형성하는 Al막 패턴(25)을 제거하는 단계와는 별개로 실행된다. 도 22c 및 22j는 제2 간극 부재 (제2 간극 형성층)를 형성하는 TiW막을 패터닝하기 위해 사용된 마스크가 제거된 다음, 액정류(3)에 적합한 제1 간극 부재를 형성하는 Al막 패턴(215)이 제거되기 이전의 상태를 설명한다.
한편, 이하에서 설명하는 바와 같이 본 실시예는 Tiw막을 패터닝하기 위해 사용된 마스크를 제공하는 단계와, 액류로(3)가 되는 제1 간극 부재를 형성하기 위해 Al막 패턴(25)을 제거하는 단계에 대해 동일한 한 프로세스를 채용한다. 이 프로세스는 도 22a 내지 22n에서 도시된 것과는 다르다. 본 실시예의 다른 공정은 도 22a 내지 22n에 도시된 것과 동일하다.
가동 부재로 적합한 SiN막(37)을 피복하기 위해 대략 10.0 ㎛ 두께로 스퍼터링법에 의해 TiW막 (제2 간극 형성층)을 형성하는 것에 이어, 알루미늄박(30a)이대략 1.0 ㎛ 두께로 스퍼터링법에 의해 TiW막 상에 형성되고 공지된 포토리소그래피 프로세스를 사용함으로써 패터닝된다. 그러면, 알루미늄박(30a)을 마스크재로 사용함으로써, SF6, CF4, C2F6, CxFy등의 가스 시드를 사용하는 ICP 에칭법에 의해 Tiw막이 대략 9.0 ㎛까지 에칭된다.
그 다음, 나머지 TiW막이 H2O2용액을 사용함으로써 대략 1.0 ㎛ 까지 에칭된다.
이제, 액류로(3)에 적합한 부분 위에 있는 Al막 패턴(25) (제1 간극 부재)과 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위해 마스크층으로 사용된 알루미늄막이 함께 초산, 인산 질산의 혼합 용액을 사용하여 핫 에칭에 의해 완전히 제거된다.
여기서, 실시예 1과 마찬가지로 TiW막의 하지층은 알루미늄막 영역과 SiN막 영역이 혼합되어 있기 때문에, TiW막을 에칭할 때 건식 에칭 및 웨트 에칭이 개별적으로 사용된다.
본 실시예에서, TiW막을 패터닝할 때에 이용되는 마스크층을 제거하는 공정과, 액류로(3)로 되는 제1 간극 부재를 형성하는 Al막 패턴(25)을 제거하는 공정을 동일 공정에서 행하도록 한다. 이에 따라, 공정수를 감소시켜 보다 염가로 액체 토출(discharge) 헤드를 제조할 수 있게 된다.
(실시예 3)
실시예 1의 헤드 구조에 대해, 액체 공급구(5)는 도 3에 도시한 바와 같이 4개의 벽면으로 둘러싸인 개구이다. 그러나, 도 23 및 도 24에 도시한 형태와 같이, 공급부 형성 부재(5A)(도 1 참조)중, 토출구(7)측과는 반대의 액체 공급실(6)측의 벽면이 개방되어 있는 것도 가능하다. 이 형태의 경우에는, 실시예 1과 마찬가지로, 개구 영역 S는 도 23 및 도 24에 도시한 바와 같이, 액체 공급구(5)의 3변과 고정 부재(9)의 단부(9A)로 둘러싸인 영역으로 된다.
(실시예 4)
다음에, 도 25a 내지 25d를 참조하여, 본 발명의 실시예 4에 따른 액체 토출 헤드에 대해 설명한다.
도 25a 내지 25d에 도시한 형태의 액체 토출 헤드에서는, 소자 기판(1)과 천장판(2)이 접합되어, 이들 양판(1, 2) 사이에는, 한쪽 단이 토출구(7)와 연결되어 있으며 다른쪽 단이 닫혀져 있는 액류로(3)가 형성된다.
액류로(3)에 액체 공급구(5)가 배치되고, 또한 액체 공급구(5)에 연결되는 공통 액체 공급실(6)이 설치되어 있다.
액체 공급구(5)와 액류로(3) 사이에는, 가동 부재(8)가 액체 공급구(5)의 개구 영역에 대하여 미소한 간격 α(10μm 이하)를 가지고 거의 평행하게 설치되어 있다. 가동 부재(8)의 적어도 자유 단부 및 그것에 연결되는 양측부로 둘러싸인 영역이, 액체 공급구(5)의 액류로에 대한 개구 영역 S보다도 크게 되어 있다. 또한 가동 부재(8)의 측부와 액류로 벽(10) 사이는 미소한 간격 β를 갖는다. 이러한 방식으로, 가동 부재(8)는 액류로(3) 내에서 마찰 저항없이 가동되는 한편, 개구 영역측으로의 변위는 개구 영역 S의 주변부에서 규제된다. 이에 따라, 액체 공급구(5)를 실질적으로 닫아서 액류로(3)로부터 공통 액체 공급실(6)로 액체가 흐르는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한 본 실시예에 따르면, 가동 부재(8)는 소자 기판(1)에 대향하여 위치된다. 그리고 가동 부재(8)의 한쪽 단부는 소자 기판(1)의 발열체(4)측에 변위하는 자유 단부이며, 다른 단부측은 지지부(9B)에 지지되어 있다.
(그 밖의 다른 실시예)
이하, 본 발명의 액체 토출 원리를 이용하는 헤드에 적절한 여러 형태예를 설명한다.
<사이드 슈터 타입(side shooter type)>
도 26은 소위 사이드 슈터 타입의 액체 토출 헤드의 단면도를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명에 있어서, 실시예 1과 동일한 구성 요소에는 동일 부호를 부여한다. 이 형태의 액체 토출 헤드는, 도 26에 도시한 바와 같이 발열체(4)와 토출구(7)가 평행 평면 상에서 서로 대면하고 있으며, 액류로(3)가, 토출구(7)로부터의 액체의 토출 방향에 따른 축방향과 직각으로 연결되어 있는 점에서, 실시예 1과 다르다. 이와 같은 액체 토출 헤드에 있어서도 실시예 1에서 설명한 동일한 토출 원리에 근거한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 실시예 1에서 설명한 제조 방법을 이러한 헤드에 용이하게 적용할 수 있다.
<가동 부재>
상술한 실시예들 각각에 있어서, 가동 부재를 구성하는 재질로서는 토출액에 대하여 내용제성이 있으며, 가동 부재로서 양호하게 동작하기 위한 탄성을 갖고 있어야 한다.
가동 부재의 재료로서는, 내구성이 높은, 은, 니켈, 금, 쇠, 티타늄, 알루미늄, 백금, 탄탈륨, 스텐레스 스틸, 인광 청동 등의 금속, 및 그 합금; 또는 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 부타젠(butadiene), 스티렌(styrene) 등의 니트릴기(nitrile group)를 갖는 수지; 폴리아미드 등의 아미드기를 갖는 수지; 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 카르복실기를 갖는 수지; 폴리아세탈(polyacetal) 등의 알데히드기를 갖는 수지; 폴리설폰(polysulfone) 등의 설폰기를 갖는 수지; 액정 폴리머 또는 그 밖의 다른 수지와 그 화합물; 내잉크성(ink resistive)이 높은, 금, 텅스텐, 탄탈륨, 니켈, 스텐레스스틸, 티타늄 등의 금속; 및 이들의 합금 및 내잉크성에 대해서는 이들을 표면에 코팅한 것 혹은, 폴리아미드 등의 아미드기를 갖는 수지, 폴리아세탈 등의 알데히드기를 갖는 수지, 폴리에테르 에테르케톤 등의 케톤기를 갖는 수지, 폴리이미드 등의 이미드기를 갖는 수지, 페놀 수지 등의 수산기를 갖는 수지, 폴리에틸렌 등의 에틸기를 갖는 수지, 폴리프로필렌 등의 알킬기를 갖는 수지, 에폭시 수지 등의 에폭시기를 갖는 수지, 멜라민 수지 등의 아미노기를 갖는 수지, 실렌(xylene) 수지 등의 메티롤기를 갖는 수지 및 그 화합물; 또한 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드 등의 세라믹 및 그 화합물이 바람직하다. 여기서, 본 발명의 가동 부재의 대상 두께는 μm 치수이다.
다음에, 발열체와 가동 부재의 배치 관계에 대하여 설명한다. 발열체와 가동 부재의 최적 배치에 의해, 발열체에 의한 발포시의 유로를 적정하게 제어하고 유효하게 이용하는 것이 가능하게 된다.
열 등의 에너지를 잉크에 부여하는 것에 의해, 잉크에 급격한 체적 변화(기포의 발생)를 수반하는 상태 변화를 발생시켜, 이 상태 변화에 근거한 작용력에 의해 토출구로부터 잉크를 토출하여, 그것을 피기록 매체 상에 부착시켜 화상 형성을 행하는 잉크젯 기록 방법, 소위 기포젯 기록 방법의 종래 기술에 있어서는, 도 27의 경사진 선으로 도시한 바와 같이, 발열체 면적과 잉크 토출량은 비례 관계에 있다. 그러나, 발포가 발생하지 않고 잉크 토출에 기여하지 않는 영역 S가 존재하고 있음을 용이하게 알 수 있다. 또한, 발열체 상의 버닝 상태로부터, 이 발포가 발생하지 않는 영역 S가 발열체의 주변에 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 이들 결과로부터, 발열체 주변의 약 4μm폭은, 발포에 관여되고 있지 않는 것으로 간주된다. 반면에, 본 발명의 액체 토출 헤드에서는, 발포 발생 수단을 포함하는 액류로가 토출구를 제외하고 실질적으로 덮혀 있는 것에 의해 최대의 토출량이 규제된다. 따라서, 도 27의 실선으로 도시한 바와 같이, 발열체 면적 및 발포 파워에 따라 유동량이 커질 때에도 토출량이 변화되지 않는 영역이 있다. 실선으로 표시된 영역을 이용하면, 보다 큰 사이즈에서 도트에 대한 토출량의 안정화를 시도할 수 있다.
(소자 기판)
이하, 액체에 열을 제공하기 위한 발열체(10)를 구비하는 소자 기판(1)의 구조에 대해 기술할 것이다.
도 28a 및 도 28b는 본 발명에 따른 액체 토출 장치의 주요부를 기술하는 측 단면도이다. 도 28a는 후술될 보호막을 보유하는 헤드를 도시한다. 도 28b는 보호막이 전혀 없는 헤드를 도시한다.
소자 기판(1) 상에서, 천장판(2)이 배열되고, 액류로(3)는 소자 기판(1) 및 천장판(2) 사이에 형성된다.
소자 기판(1)에 대해, 절연 및 열 축적을 실현할 목적으로 실리콘 산화막 혹은 실리콘 질화막(106)이 실리콘 등의 기판(107) 상에 피복되어 있다. 이러한 막 상에서는, 도 28a에 도시된 바와 같이 HfB2(halfniumboride), TaN(tantalum nitride), TaAl(tantalum aluminum) 등의 전기 저항막(105)을 패터닝하여, 발열체(10)(0.01 내지 0.2 ㎛ 두께), 및 알루미늄 등의 전선 전극(104)(0.2 내지 1.0 ㎛ 두께)을 구성한다. 전압은 전류가 열 발생을 위해 저항막(105)을 통과할 수 있게 하기 위해 전선 전극에서 저항막(105)으로 인가된다. 전선 전극들(104) 사이의 저항막(105) 상에는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등의 보호막(103)이 0.1 내지 2.0 ㎛ 두께로 형성된다. 또한 이러한 막 상에는 탄탈 등의 내캐비테이션막(102)이 피복(0.1 내지 0.6㎛ 두께)되고, 따라서 잉크와 같은 다양한 종류의 액류로부터 저항막(105)을 보호한다.
압력 및 충격파는 발포 혹은 버플 소멸시에 특히 강화되어, 단단하지만 부서지기 쉬운 산화막의 내구성이 상당히 열화되게 할 수 있다. 이를 막기 위해, 탄탈(Ta)과 같은 금속 물질이 내캐비테이션막(102)으로 사용된다.
또한, 액체, 유동 경로 구조 및 저항 물질의 조합에 의해, 상술한 저항막(105)을 위한 보호막(103)이 필요하지 않은 구조를 마련할 수 있다. 그러한 구조의 예는 도 28b에 도시된다. 이리듐-탄탈-알루미늄의 합금 등은 보호막(103)을 필요로하지 않는 저항막(105)의 물질로서 인용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이전에 기술된 각각의 실시예에 대한 발열체(4)의 구조를 형성하기 위해 전극들(104) 사이에 저항막(105)(열 발생부) 만을 배열할 수도 있다. 또한, 여기서 구조는 보호막(103)이 저항막(105)의 보호를 위해 포함되도록 배열될 수도 있다.
각각의 실시예에 대해, 구조는 전기 신호에 따라 발열체(4)로서 열을 발생하는 저항막(105)에 의해 형성된 열 발생부로 배열되지만, 발열체는 반드시 이렇게 한정되는 것은 아니다. 토출 액체를 토출하기 위해 발포 액체에서 기포를 충분히 생성할 수 있기만 하면 임의의 발열체는 채택될 수 있다. 예를 들어, 그러한 소자는 레이저 혹은 임의의 다른 빛을 수신할 때 열을 발생하는 광-열 변환 부재 혹은 고주파수를 수신할 때 열을 발생하는 열 발생부를 구비하는 부재일 수 있다.
이러한 관점에서, 상술한 소자 기판(1) 상에서, 발열체(10)를 구동하기 위해 선택적으로 필요한 트랜지스터, 다이오드, 래치, 시프트 레지스터 등과 같은 기능성 디바이스(전열 변환 디바이스) 뿐만 아니라, 열 발생부를 구성하는 저항막(105), 및 저항막(105)에 전기 신호를 공급하도록 전선 전극(104)에 의해 형성된 각각의 발열체(4)는 반도체 제조 공정을 사용함으로써 일체화될 수 있다.
또한, 상술한 요소의 베이스 플레이트(1) 상에 설치된 각각의 발열체(4)의 열 발생부를 구동함으로써 액체를 토출하기 위해, 도 20에 도시된 바와 같은 그러한 직각 펄스는 전선 전극들(104) 사이의 저항막(105)이 갑자기 가열될 수 있게 하기 위해 전선 전극(104)를 통해 저항막(105)에 인가된다. 이전에 기술한 실시예각각의 헤드에 있어서, 발열체는 6 kHz에서 전기 신호를 적용함으로써 구동되는데, 각각은 150 mA의 전류를 갖는 7㎲의 펄스폭에서 24V의 전압을 갖는다. 상술한 동작에 있어서, 액체인 잉크는 각각의 토출구(7)로부터 토출된다. 그러나, 구동 신호의 조건은 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 임의의 구동 신호는 그러한 적용에 의해 발포 액체가 적절히 기포되기만 하면 채택될 수 있다.
(토출 액체)
이전에 기술된 그러한 액체는, 기록을 위해 사용할 수 있는 액체(기록 액체)로서 종래의 기포 제트 장치를 위해 상용된 것과 동일한 구성을 갖는 잉크를 사용할 수 있다.
그러나, 토출 액체의 특성으로서, 단독 토출, 발포 혹은 가동 부재의 동작을 저해하지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
기록용 토출 액류로서, 상당히 점착성있는 잉크 등 역시 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다음 구성의 잉크는 토출 액류로 채택될 수 있는 기록 액류로서 사용된다. 그러나, 잉크 토출 속도를 보다 빠르게 하는 강화된 토출력으로 인해, 극히 우수한 화질의 기록된 영상을 얻도록 액적의 이동 정확도가 개선된다.
<표 2>
(C.I. 푸드 블랙 2) 염료 3 wt%
다이실린 글리콜 10wt%
염료 잉크 시오디클리콜 5wt%
점성율 2cP 에타놀 3wt%
물 77wt%
(액체 분사 장치)
도 30은 적용에 있어서 상술한 실시예들 각각에 따라서 개시된 액체 분사 헤드를 그 위에 설치할 수 있는 액체 분사 장치의 일 예인 잉크젯 기록 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 30에 도시된 잉크젯 기록 장치에 설치된 헤드 카트리지(601)에는 상술된 바와 같은 구조의 액체 분사 헤드, 및 이 액체 분사 헤드에 공급되는 액체를 포함하는 액체 컨테이너가 제공된다. 도 30에 도시된 바와 같이, 헤드 카트리지(601)는, 구동 모터(602)의 정방향 및 역방향 회전에 연동되는 구동 전력 트랜스미션 기어(603, 604)를 통해 회전하는 리드 스크류(605)의 나선형 그루브(606)와 맞물리는 캐리지(607) 상에 장착된다. 헤드 카트리지(601)는 캐리지(607)와 함께 구동 모터(602)의 구동 전력에 의해 화살표 a 및 b로 표시되는 방향으로 가이드(608)를 따라서 왕복운동을 한다. 잉크젯 기록 장치(600)에는 헤드 카트리지(601)로부터 분사된 잉크 등의 액체를 수용하는 기록 매체로서의 프린트 용지 P를 운반하기 위한 기록 매체 운반 수단(도시되지 않음)이 제공된다. 그리고, 기록 매체를 운반하기 위한 수단에 의해 플레이튼(609) 상에 프린트 용지 P를 운반하기 위해 사용되는 용지 가압판(610)이, 카트리지(607)의 이동 방향에 대하여 플레이튼(609)으로 프린트 용지 P를 가압하도록 배치된다.
포토커플러(611, 612)는 리드 스크류(605)의 일 단 근처에 배치된다. 포토커플러(611, 612)는 포토커플러(611, 612)의 동작 영역에 캐리지(607)의레버(607a)가 존재하는지를 인식함으로써 구동 모터(602)의 회전 방향을 스위치하는 홈 포지션을 검출하기 위한 수단이다. 플레이튼(609)의 일 단 근처에는, 헤드 카트리지(601)의 토출구를 갖는 전단을 커버하는 캡 부재(614)를 지지하기 위한 지지 부재(613)가 배치된다. 또한, 헤드 카트리지(601)로부터 아이들 토출 등이 이루어질 때 캡 부재(614)의 내부에 보유된 잉크를 흡입하는 잉크 흡입 수단(615)이 배치된다. 잉크 흡입 수단(615)에 있어서, 헤드 카트리지(601)의 흡입 복원은 캡 부재(614)의 개구부를 통해 수행된다.
잉크젯 기록 장치(600)에 대하여, 본체 지지 부재(619)가 제공된다. 이 본체 지지 부재(619)에 대하여, 가동 부재(618)가 전방 및 후방, 즉 캐리지(607)의 이동 방향에 대하여 우측 각도의 방향으로 가동하게 지지된다. 가동 부재(618)에 대해서는, 클리닝 블레이드(617)가 설치된다. 클리닝 블레이드(617)의 모드가 이러한 배치에 제한되는 것은 아니다. 기타 다른 모드의 임의의 공지된 클리닝 블레이드가 적용될 수 있다. 더욱이, 잉크 흡입 수단(615)이 그 흡입 복원을 행할 때 흡입을 개시하는 레버(620)가 제공된다. 레버(620)는 캐리지(607)와 맞물리는 캠(621)의 이동을 따라서 이동한다. 그 이동은 구동 모터(602)의 구동 전력을 스위치하는 클러치 등의 공지된 트랜스미션 수단에 의해서 제어된다. 이미 설명된 메카니즘의 각 구동 제어 뿐만 아니라, 헤드 카트리지(601)에 대해 제공된 가열 소자로의 신호 공급을 취급하는 잉크젯 제어기가 도 31에는 도시되지 않았지만 기록 장치 본체 측에 대해서 제공된다.
상술된 바와 같은 구조의 잉크젯 기록 장치(600)에 대하여, 상기 기록 매체운반 수단은 플레이튼(609) 상에 프린트 용지 P를 운반하고, 헤드 카트리지(601)는 프린트 용지 P의 전체 폭에 걸쳐 왕복운동을 한다. 이러한 왕복운동 동안, 잉크(기록 액체)는 구동 신호 공급 수단(도시되지 않음)으로부터 구동 신호가 헤드 카트리지(601)에 공급될 때의 기록을 위한 구동 신호에 따라서 액체 분사 헤드 유닛으로부터 기록 매체로 분사된다.
도 31은 본 발명의 액체 토출 장치를 사용하여 잉크젯 기록을 실행하기 위한 기록 장치의 전체를 나타낸다.
기록 장치는 호스트 컴퓨터(300)로부터의 프린팅 정보를 제어 신호로서 수신한다. 프린팅 정보는 프린팅 장치의 내부에 있는 입력 인터페이스(301)에 잠정적으로 저장되고, 동시에, 기록 장치에서 처리가능한 데이터로 변환되어, 헤드 구동 신호 공급 수단으로서도 기능하는 CPU(중앙 처리 유닛; 302)로 입력된다. CPU(302)는 ROM(판독 전용 메모리; 303)에 저장된 제어 프로그램에 따라서 RAM(랜덤 액세스 메모리; 304) 및 기타 주변 유닛들을 사용하여 이렇게 CPU(302)에 의해 수신된 데이터를 처리하고, 프린팅을 위한 데이터(화상 데이터)로 이들을 변환한다.
또한, CPU(302)는 기록 용지 상의 적절한 위치에 화상 데이터를 기록하기 위해서 화상 데이터에 동기하여 그 위에 장착된 헤드 캐리지와 함께 이동하도록 기록 용지 및 캐리지(607)를 운반하기 위해 구동 모터(602)를 구동하도록 사용되는 구동 데이터를 생성한다. 화상 데이터 및 모터 구동 데이터는 헤드 드라이버(307) 및 모터 드라이버(305)를 통해 각각 헤드 캐리지(601) 및 구동 모터(602)로 전달된다.이들은 화상의 형성을 위해 제어된 타이밍에 각각 구동된다.
그 위에 잉크 등의 액체의 고착을 위한 종류의 기록 장치에 대해 사용되는 기록 매체(150)에 대하여, 대상 매체로서, 다양한 종류의 종이 및 OHP 용지; 컴팩트 디스크, 장식용 보드에 사용되는 플라스틱 재질; 직물; 알루미늄, 구리 등의 금속 재질; 소 가죽, 돼지 가죽 및 인공 가죽 등의 가죽 재질; 목재, 합판 등의 나무 재질; 대나무 재질; 및 스폰지 등의 3차원 구조 등등을 사용할 수 있다.
또한, 여기서의 기록 장치로서는, 다양한 종류의 종이, OHP 용지 등에 기록하기 위한 프린트 장치; 컴팩트 디스크 및 기타 플라스틱 재질에 기록하는 플라스틱 재질용 기록 장치; 금속 평판에 기록하는 금속 평판용 기록 장치; 가죽에 기록하는 가죽 재질용 기록 장치; 나무에 기록하는 나무 재질용 기록 장치; 세라믹 재질에 기록하는 세라믹용 기록 장치; 및 스폰지와 같은 3차원 직물 구조를 기록하기 위한 기록 장치, 또는 헝겊에 기록하는 직물 프린트 장치 등이 포함된다.
또한, 이들 액체 토출 장치들 중 임의의 것에 사용될 수 있는 토출 액류로서는, 개별 기록 매체 및 그에 따른 기록 조건과 부합하는 액체가 사용될 수만 있다면 좋다.
본 발명에 따라 제조된 액체 토출 헤드는, 기포를 발생시키는 수단에 의해 기포 생성 초기 단계에 기포가 거의 등방적으로 성장하고 있는 기간 내에 액류로와 액체공급구 사이의 연통 상태를 가동부재에 의해 즉시 차단할 수 있게 하고, 그러면, 토출구를 제외하고 액류로내를 실질적으로 밀폐하도록 구성된 구조에 의해, 기포 발생 영역에서의 기포 성장에 의해 발생된 압력파가 액체공급구측 또는 공통 액체 공급실측으로 전파되지 않도록 한다. 압력파의 대부분은 토출구측으로 향하게 되어, 토출력이 상당히 향상된다. 또한, 고점도 기록액이 기록지 등에 고속 정착에 사용된다거나 또는 흑색과 컬러 사이의 경계에 번짐을 해소하는데 사용될 때에도, 상당히 향상된 토출력으로 이와 같은 고점도 잉크를 양호한 상태로 토출할 수 있게 된다. 또한, 기록시의 환경적 변화로 인해, 특히 저온·저습 환경 하에서는, 토출구가 잉크 점성이 증가하는 영역이 더 많아지는 경향이 있고, 잉크는 사용 시작시에 몇몇 경우에 정상적으로 토출되지 않게 된다. 그런데, 이와 같은 환경하에서 조차, 본 발명은 처음부터 양호하게 토출할 수 있게 한다. 또한, 상당히 향상된 토출력에 의해, 기포 발생 수단으로서 사용되는 발열체의 크기를 축소할 수 있고 또는 이에 따라 토출을 위해 투입되는 에너지를 감소시킬 수 있다.
Claims (18)
- 액체를 토출하기 위한 복수개의 토출구들과;복수개의 액류로들과 - 상기 액류로들의 한쪽 끝단 각각은 상기 토출구들 각각과 연통되고, 액체중에 기포를 생성하기 위한 기포 생성 영역을 가짐 -;상기 기포를 생성하여 성장시키기 위한 에너지를 생성하는 기포 생성 수단과;복수개의 액체 공급구들 - 상기 액체 공급구들 각각은 상기 복수개의 액류로들 각각에 배치되어 공통 액체 공급실과 연통됨 -;가동 부재들 - 상기 가동 부재들 각각은 상기 액류로측상의 상기 액체 공급구와 간극을 가지고 지지되는 고정 부분과 가동 부분을 가짐 -을 구비한 액체 토출 헤드를 제조하는 방법에 있어서,상기 기포 생성 수단을 갖는 소자 기판상에 제1 간극 형성 부재를 형성하는 단계;상기 제1 간극 형성 부재와 상기 소자 기판상의 상기 고정 부재상에 가동 부재를 형성하는 단계;상기 가동 부재의 상기 가동 부분의 상면 및 측면들상에, 상기 액류로의 측벽들과 상기 액체 공급구 사이에 간극을 형성하기 위한 제2 간극 형성 부재를 형성하는 단계;상기 제2 간극 형성 부재를 상기 가동 부재에 밀착시킨 상태 그대로 두면서,상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 단계;적어도 상기 제2 간극 형성 부재상 및 상기 가동 부재의 주변에 벽재를 형성하는 단계;상기 벽재를 패턴닝하여 상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들을 함께 형성하는 단계; 및상기 제2 간극 형성 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기포 생성 수단, 상기 가동 부재, 상기 액류로 벽들, 및 상기 액체 공급구들을 갖는 상기 소자 기판과, 상기 공통 액체 공급실을 갖는 천장판을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하는 상기 단계는,상기 가동 부재를 커버하도록 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위한 제2 간극 형성 층을 형성하는 단계;상기 제2 간극 형성 부재를 형성하도록 상기 제2 간극 형성 층상에 마스크 층을 형성하는 단계;상기 마스크 층을 사용하여 건식 에칭 공정으로 상기 제2 간극 형성 층을 에칭하는 단계; 및상기 건식 에칭 공정에 후속하여 웨트 에칭 공정으로 상기 제2 간극 형성 층을 에칭함으로써 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재와, 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위한 마스크 층을 웨트 에칭 공정으로 함께 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 마스크 층을 형성하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재에 사용된 막과 같은 물질로 구성된 막으로 마스크 층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재와, 상기 간극 형성 부재를 형성하기 위한 상기 마스크 층을 웨트 에칭 공정으로 함께 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재의 재료는 알루미늄, Al/Cu, Al/Si, 또는 다른 알루미늄 합금이고, 상기 제2 간극 형성 부재의 재료는 TiW, W/Si, W, 또는 다른 텅스텐 합금인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들은 벽재를 패터닝하는 상기 단계에서 네가티브 타입 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제8항에 있어서,벽재를 패터닝하는 상기 단계에서, 상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들을 위한 노광 단계에 사용된 마스크 패턴은 상기 가동 부재상에 있어서는 비-감광 부분의 투영 면적이 상기 제2 간극 형성 부재의 투영 면적보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 액체를 토출하기 위한 복수개의 토출구들과;복수개의 액류로들과 - 상기 액류로들의 한쪽 끝단 각각은 상기 토출구들 각각과 연통되고, 액체중에 기포를 생성하기 위한 기포 생성 영역을 가짐 -;상기 기포를 생성하여 성장시키기 위한 에너지를 생성하는 기포 생성 수단과;복수개의 액체 공급구들 - 상기 액체 공급구들 각각은 상기 복수개의 액류로들 각각에 배치되어 공통 액체 공급실과 연통됨 -;가동 부재들 - 상기 가동 부재들 각각은 상기 액류로측상의 상기 액체 공급구와 간극을 가지고 지지되는 고정 부분과 가동 부분을 가짐 -을 구비한 액체 토출 헤드를 제조하는 방법에 있어서,상기 기포 생성 수단을 갖는 소자 기판상에, 제1 간극 형성 부재를 형성하기 위한 제1 간극 형성 층을 형성하고, 패턴닝을 수행하는 단계;상기 소자 기판상의 상기 제1 간극 형성 부재가 점유하지 않는 부분에, 상기 제1 간극 형성 부재와 동일한 높이를 갖는 상기 가동 부재의 상기 고정 부분을 형성하는 단계;상기 제1 간극 형성 부재와 상기 고정 부재상에 상기 가동 부재를 형성하는 단계;상기 가동 부재의 상기 가동 부분의 상면 및 측면들상에, 상기 액류로의 측벽들과 상기 액체 공급구 사이에 간극을 형성하기 위한 제2 간극 형성 부재를 형성하는 단계;상기 제2 간극 형성 부재를 상기 가동 부재에 밀착시킨 상태 그대로 두면서, 상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 단계;적어도 상기 제2 간극 형성 부재상에와 상기 가동 부재의 주변에 벽재를 형성하는 단계;상기 벽재를 패턴닝하여 상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들을 함께 형성하는 단계; 및상기 제2 간극 형성 부재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 기포 생성 수단, 상기 가동 부재, 상기 액류로 벽들, 및 상기 액체 공급구들을 갖는 상기 소자 기판과 상기 공통 액체 공급실을 갖는 천장판을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하는 상기 단계는,상기 가동 부재를 커버하도록 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위한 제2 간극 형성 층을 형성하는 단계;상기 제2 간극 형성 부재를 형성하도록 상기 제2 간극 형성 층 상에 마스크 층을 형성하는 단계;상기 마스크 층을 사용하여 건식 에칭 공정으로 상기 제2 간극 형성 층을 에칭하는 단계; 및상기 건식 에칭 공정에 후속하여 웨트 에칭 공정으로 상기 제2 간극 형성 층을 에칭함으로써 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제12항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재와, 상기 제2 간극 형성 부재를 형성하기 위한 마스크 층을 웨트 에칭 공정으로 함께 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제12항에 있어서,상기 마스크 층을 형성하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재에 사용된 막과 같은 물질로 구성된 막으로 마스크 층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제14항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재를 제거하는 상기 단계는, 상기 제1 간극 형성 부재와, 상기 간극 형성 부재를 형성하기 위한 상기 마스크 층을 웨트 에칭 공정으로 함께 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 제1 간극 형성 부재의 재료는 알루미늄, Al/Cu, Al/Si, 또는 다른 알루미늄 합금이고, 상기 제2 간극 형성 부재의 재료는 TiW, W/Si, W, 또는 다른 텅스텐 합금인 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들은 벽재를 패터닝하는 상기 단계에서 네가티브 타입 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
- 제17항에 있어서,벽재를 패터닝하는 상기 단계에서, 상기 액류로 벽들과 상기 액체 공급구들을 위한 노광 단계에 사용된 마스크 패턴은 상기 가동 부재상에 있어서는 비-감광 부분의 투영 면적이 상기 제2 간극 형성 부재의 투영 면적보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 액체 토출 헤드 제조 방법.
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