KR100429844B1

KR100429844B1 - 일체형 잉크 젯 프린트헤드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100429844B1
Application number: KR10-2001-0066021A
Authority: KR
Inventors: 김현철; 오용수; 국건; 윤광준; 민재식; 이상현; 이창승; 백석순; 이상욱; 신종철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2004-05-03
Also published as: US20040130597A1; US7275308B2; US20030081069A1; US6692112B2; KR20030033857A

Abstract

버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크 젯 프린트헤드에 있어서, 잉크를 공급하는 매니폴드와 반구형의 잉크 챔버와 잉크 채널이 실리콘 기판에 일체로 형성된다. 기판 상에는 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 노즐이 형성된 실리콘 산화막이 증착된다. 실리콘 산화막 상에는 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터가 마련된다. 그리고, 히터를 구동시키기 위한 MOS 집적 회로가 기판 상에 마련되며, 이는 MOSFET과 히터에 접속되는 전극을 포함한다. 본 발명에 있어서, 상기 실리콘 산화막과 히터와 MOS 집적 회로는 실리콘 기판 상에 일체화되어 형성된다. 따라서, 제조가 간편하고 대량생산이 용이하며 고집적화에 적합하다. 또한, 프린트헤드의 외측 표면에는 DLC 코팅막이 형성될 수 있으며, 이는 우수한 소수성과 내구성을 나타낸다.

Description

일체형 잉크 젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Monolithic ink-jet printhead and manufacturing method thereof}

본 발명은 잉크 젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반구형의 잉크 챔버를 가진 버블젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드와 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉크 젯 프린트 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크 젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블 젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.

상술한 버블 젯 방식의 잉크 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 전원을 인가하면, 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이 때 잉크 내부에 버블이 생성되고, 생성된 버블은 성장하여 그 부피 팽창으로 인해 잉크가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 잉크 챔버 밖으로 토출된다.

이와 같은 버블 젯 방식의 잉크 토출부를 가지는 잉크 젯 프린트 헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 선명한 화질을 얻기 위해서는, 토출되는 주 액적(main droplet)에 뒤따르는 미세한 부액적(satellite droplet)의 생성이 가능한 한 억제되어야 한다. 셋째, 하나의 노즐에서 잉크를 토출하거나 잉크의 토출후 잉크 챔버로 잉크가 다시 채워질 때, 잉크를 토출하지 않는 인접한 다른 노즐과의 간섭(cross talk)이 가능한 한 억제되어야 한다. 이를 위해서는 잉크 토출시 노즐 반대방향으로 잉크가 역류하는 현상(back flow)을 억제하여야 한다. 넷째, 고속 프린트를 위해서는, 가능한 한 잉크 토출후 리필되는 주기가 짧아야 한다. 즉, 구동 주파수가 높아야 한다.

그런데, 이러한 요건들은 서로 상충하는 경우가 많고, 또한 잉크 젯 프린트 헤드의 성능은 결국 잉크 챔버, 잉크 유로 및 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태, 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.

따라서, 미국특허 US 4339762호, US 4847630호, US 4882595호, US 5635966호, US 5760804호, US 5850241호, 유럽특허 EP 317171호, Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim, and Chih-Ming Ho, "A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck", IEEE MEMS '98, pp.57-62 등에는 다양한 구조의 잉크 젯 프린트헤드가 개시되어 있다. 그러나, 이들 특허나 문헌을 통해 제시된 구조의 잉크 젯 프린트헤드는 전술한 요건들 중 일부는 만족할지라도 전체적으로 만족할 만한 수준은 아니다.

도 1a 및 도 1b는 상기한 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드의 일례로서, 미국특허 US 4882595호에 개시된 잉크 토출부 구조를 나타내 보인 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(19)가 채워지는 잉크 챔버(13)를 형성하는 격벽부재(12)와, 잉크 챔버(13) 내에 설치되는 히터(14)와, 잉크 액적(19')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐판(11)을 포함하고 있다. 상기 잉크 챔버(13) 내에는 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 채워지며, 잉크 챔버(13)와 연통된 노즐(16) 내에도 모세관 현상에 의해 잉크(19)가 채워진다. 이와 같은 구성에 있어서, 히터(14)에 전류가 공급되면 히터(14)가 발열되면서 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19) 안에 버블(18)이 형성된다. 그 후, 이 버블(18)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 챔버(13) 내에 채워진 잉크(19)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 외부로 잉크 액적(19')를 밀어내게 된다. 그 다음에, 잉크 채널(15)을 통해 잉크(19)가 흡입되면서 챔버(13)에 다시 잉크(19)가 채워진다.

그런데, 이와 같은 종래의 프린트헤드에 있어서는 잉크 챔버(13)의 측방에 잉크 채널(15)이 연결되어 있으며 그 폭도 넓어서 버블(18)의 팽창에 따라 잉크(19)의 역류가 발생하기 쉽다. 또한, 이러한 구조의 프린트헤드를 제조하기 위해서는 노즐(16)이 형성된 노즐판(11)과 잉크 챔버(13) 및 잉크 채널(15)이 그 위에 형성된 기판(10)을 따로 제작하여 본딩하여야 하므로 제조 공정이 복잡하고 노즐판(11)과 기판(10)의 본딩시에 오정렬의 문제가 발생될 수 있는 단점이 있다.

도 2는 상기한 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드의 다른 예로서, 미국특허 US 5635966호에 개시된 잉크 토출부 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 2에 도시된 잉크 젯 프린트헤드에 있어서, 잉크(29)는 잉크 저장고로부터 프린트 카트리지 몸체(10) 내에 형성된 잉크 채널(25)을 통해 기판(22)의 가장자리를 돌아서 잉크 챔버(23) 내부로 흐르게 된다. 히터(24)가 발열하게 되면 잉크 챔버(23) 내에 버블(28)이 생성되어 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크(29)가 액적의 형태로 노즐(26)을 통해 외부로 토출된다.

그런데, 이와 같은 구조의 프린트헤드의 제조에 있어서도, 프린트 카트리지 몸체(20)의 상단부에 노즐(26)이 형성된 폴리머 테이프(21)를 접착성 시일(adhesive seal, 31)을 사용하여 본딩하여야 하며 히터(24)가 그 위에 마련된 기판(22)도 카트리지 몸체(20) 내에 설치한 후 얇은 접착성 막(32)을 개재하여 테이프(21)와 본딩하여야 하는 등 그 제조 공정이 복잡하고, 또한 이와 같은 구성요소의 본딩 과정에서 오정렬의 문제가 발생될 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 전술한 프린트헤드의 일반적인 요건들을 만족시킬 수 있도록 반구형의 잉크 챔버를 가지며, 그 구성요소들과 MOS 집적 회로가 기판에 일체화하여 형성된 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드와 이를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린팅 헤드의 일례를 나타내 보인 잉크 토출부의 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 종래의 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드의 다른 예를 나타내 보인 잉크 토출부의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 잉크 젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 히터의 형상과 전극의 배치에 대한 일례를 나타낸 평면도이다.

도 6은 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 히터의 형상과 전극의 배치에 대한 다른 예를 나타낸 평면도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다.

도 8a 및 도 8b는 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 9a 및 도 9b는 도 7에 도시된 잉크 토출부에서 잉크가 토출되는 메카니즘을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 10 내지 도 19는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

도 20 내지 도 23은 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...기판 112...매니폴드

114...잉크 챔버 116...잉크 채널

118...노즐 120...실리콘 산화막

126...필드 산화막 130,130'...히터

142...게이트 144...소스

146...드레인 150...제1 보호막

155...BPSG 막 160,160'...전극

170...제2 보호막 180...코팅막

210...노즐 가이드

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 실질적으로 반구형의 형상으로 된 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성된 기판; 상기 기판 상에 증착되며, 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 실리콘 산화막; 상기 산화막 상에 형성되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및 상기 히터를 구동시키기 위하여 상기 기판 상에 마련되며, MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로;를 구비하며, 상기 실리콘 산화막, 상기 히터 및 상기 MOS 집적 회로는 상기 기판 상에 일체화되어 형성되는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드를 제공한다.

상기 프린트헤드의 외측 표면에는 DLC로 이루어진 코팅막이 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 DLC 코팅막은 우수한 소수성과 내구성을 나타낸다.

그리고, 상기 MOSFET은 상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 형성된 게이트와 그 아래에 형성된 소스와 드레인을 구비할 수 있다.

또한, 상기 MOSFET의 게이트는 상기 히터와 동일한 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 MOSFET의 둘레에는 절연막으로서 상기 실리콘 산화막보다 두꺼운 필드 산화막이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 히터와 상기 MOSFET 위에는 실리콘 질화막을 포함하는 제1 보호층이 형성되며, 상기 전극 위에는 TEOS 산화막을 포함하는 제2 보호층이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 잉크 액적의 토출을 가이드하는 노즐 가이드가 상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 매니폴드는 상기 기판의 배면에 형성되고, 상기 잉크 채널은 상기 잉크 챔버의 바닥에 상기 매니폴드와 연결되도록 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 프린트헤드에 따르면, 프린트헤드의 제반 요건들을 만족할 수 있으며, 또한 그 구성요소들과 MOS 집적 회로가 기판 상에 일체화되어 형성되므로 보다 콤팩트한 프린트헤드를 구현할 수 있다.

그리고, 본 발명은 일체형 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공한다. 이와 같은 본 발명의 제조방법은, 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 산화막 상에 환상의 히터를 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 히터를 구동시키기 위한 MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로를 형성하는 단계; 상기 히터의 안쪽으로 상기 히터의 직경보다 작은 직경으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 잉크의 토출이 이루어지는 노즐을 형성하는 단계; 상기 기판의 배면을 식각하여 잉크를 공급하는 매니폴드를 형성하는 단계; 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여, 상기 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 노즐을 통해 상기 잉크 챔버의 바닥을 식각하여 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 잉크 채널 형성 단계 후에 상기 프린트헤드의 외측 표면에 DLC로 이루어진 코팅막을 도포하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 MOS 집적 회로 형성 단계는; 상기 MOSFET이 형성될 영역 둘레에 상기 실리콘 산화막보다 두꺼운 필드 산화막을 증착하는 단계와, 상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 MOSFET의 게이트를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막 아래에 MOSFET의 소스와 드레인을 형성하는 단계와, 상기 히터와 상기 MOSFET을 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 게이트와 상기 히터는 동일한 재료로써 동시에 형성될 수 있으며, 또는 상기 게이트는 불순물이 도핑된 폴리 실리콘으로 이루어지고 상기 히터는 탄탈륨-알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 히터와 상기 MOSFET 위에는 제1 보호막이 형성되며, 상기 제1 보호막 상에 상기 전극이 형성되고, 상기 전극 위에 제2 보호막이 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1 보호막 위에는 그 표면을 평탄화하기 위한 BPSG막이 도포될 수 있다.

상기 잉크 챔버는 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 형성될 수 있으며, 또는 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각한 후에 상기 기판을 등방성 식각함으로써 형성될 수도 있다.

한편, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는; 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 이방성 식각하여 소정 깊이의 홀을 형성하는 단계와, 상기 이방성 식각된 기판의 전면에 소정의 물질막을 소정 두께로 증착하는 단계와, 상기 물질막을 이방성 식각하여 상기 홀의 바닥을 노출함과 동시에 상기 홀의 측벽에 상기 물질막으로 이루어진 노즐 가이드를 형성하는 단계와, 상기 홀의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각하여 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 제조방법에 따르면, 프린트헤드의 구성요소들과 MOS 집적회로를 기판 상에 일체화하여 형성할 수 있으므로, 그 제조방법이 간단하고 프린트헤드를 칩 단위로 대량생산할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 프린트헤드에는 잉크 토출부(100)들이 점선으로 표시된 잉크 공급 매니폴드(112) 상에 지그재그로 배치되어 있고, 각 잉크 토출부(100)와 MOS 집적 회로에 의해 전기적으로 연결되고 와이어가 본딩될 본딩 패드(102)들이 양측 가장자리에 배치되어 있다. 매니폴드(112)는 잉크를 담고 있는 잉크 컨테이너(미도시)와 연결된다. 또한, 매니폴드(112)는 잉크 토출부(100)의 각 열마다 하나씩 형성될 수도 있다. 도면에서 잉크 토출부(100)들은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 한편, 도면에는 한 가지 색상의 잉크만을 사용하는 프린트 헤드가 도시되어 있지만, 컬러 인쇄를 위해 각 색상별로 3군 또는 4군의 잉크 토출부군이 배치될 수도 있다.

도시된 바와 같이, 잉크 토출부의 기판(110)에는 그 표면쪽에 잉크가 채워지는 잉크 챔버(114)가 형성되고, 그 배면쪽에는 잉크 챔버(114)로 잉크를 공급하는 매니폴드(112)가 형성되며, 잉크 챔버(114)의 바닥 중앙에는 잉크 챔버(114)와 매니폴드(112)를 연결하는 잉크 채널(116)이 형성된다. 잉크 챔버(114)는 바람직하게는 대략 반구형의 형상으로 되어 있다. 여기에서, 기판(110)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 잉크 채널(116)의 직경은 노즐(118)의 직경보다 작도록 형성하는 것이 잉크의 역류를 방지하는데 있어서 보다 바람직하다.

기판(110)의 표면에는 노즐(118)이 형성된 실리콘 산화막(120)이 증착되어 잉크 챔버(114)의 상부 벽을 이룬다.

실리콘 산화막(120) 위에는 노즐(118)을 둘러싸는 형상으로 버블 생성용 히터(130)가 형성된다. 이 히터(130)는 바람직하게는 원형의 고리 형상으로 되어 있으며, 불순물이 도핑된 폴리 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 저항 발열체로 이루어진다.

일반적으로 프린트헤드의 히터에 펄스 전류를 인가하기 위하여 구동 회로가 채용되는데, 종래에는 이러한 구동 회로로서 주로 바이폴러(bipolar) 회로가 채용되었다. 그러나, 바이폴러 회로는 많은 수의 히터를 구동시키기 위해서는 그 구조가 복잡해져서 그 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 보다 싼 비용으로 제조가 가능한 MOS 집적 회로를 히터의 구동 회로로서제시되고 있는 실정이다.

이에 따라, 본 발명에서는 히터(130)에 펄스 전류를 인가하여 히터(130)를 구동시키기 위한 구동 회로로서 MOS 집적 회로를 채용하며, 특히 이를 히터(130)와 함께 기판(110) 상에 일체화되도록 형성하였다. 이와 같은 구성에 의하면, 종래에 비해 보다 콤팩트한 프린트헤드를 보다 간단한 공정에 의해 제조할 수 있게 된다.

상기 MOS 집적 회로는 MOSFET과 전극(160)을 포함하여 이루어진다. MOSFET은 실리콘 산화막(120)을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 형성된 게이트(gate, 142)와 그 아래에 형성된 소스(source, 144) 및 드레인(drain, 146)을 포함한다. 전극(160)은 MOSFET과 히터(130) 및 MOSFET과 본딩 패드(도 도 3의 102 참조) 사이에 이들과 연결되도록 형성되며, 통상 금속, 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다. 그리고, MOSFET 둘레에는 이를 절연시키기 위한 필드 산화막(126)이 실리콘 산화막(120)보다 두꺼운 두께로 형성된다.

한편, MOSFET의 게이트(142)와 히터(130)를 보호하기 위한 제1 보호막(150)이 이들 위에 형성될 수 있다. 상기 제1 보호막(150)으로서 바람직하게는 실리콘 질화막이 사용될 수 있다. 그리고, 바람직하게는 제1 보호막(150) 위에 표면을 평탄화하기 위하여 BPSG막(Boro-Phosphorous-Silicate Glass, 155)이 코팅된다.

도 5는 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 히터(130)의 형상과 전극(160)의 배치에 대한 일례를 나타낸 평면도로서, 이를 참조하면 고리 형상의 히터(130)에 전극(160)이 서로 마주보며 연결되어 있다. 즉, 이 히터(130)는 전극(160) 사이에서 병렬로 접속되어 있는 형태이다.

한편, 도 6은 도 4에 도시된 잉크 토출부에서 히터의 형상과 전극의 배치에 대한 다른 예를 나타낸 평면도로서, 이를 참조하면 히터(130')는 노즐(118)을 둘러싸는 대략 오메가 형상으로 형성되어 있으며, 전극(160')은 히터(130')의 양단부에 각각 접속된다. 즉, 도 6에 도시된 히터(130')는 전극(160') 사이에서 직렬로 접속되어 있다.

다시 도 4를 참조하면, 상기 전극(160) 위에는 이를 보호하기 위한 제2 보호막(170)이 형성된다. 상기 제2 보호막(170)으로는 TEOS 산화막이 바람직하다. 한편, 상기 제2 보호막(170)은 산화막, 질화막 및 산화막의 3층 구조의 막으로 이루어질 수도 있다.

그리고, 잉크 토출부의 최외측 표면, 즉 전극을 보호하는 제2 보호막(170)의 표면에는 소수성과 내구성을 가진 코팅막(180)이 도포될 수 있다.

버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트헤드에 있어서는, 잉크가 액적의 형태로 분사되므로 우수한 인쇄 성능을 나타내기 위해서는 잉크가 완전한 액적의 형태로 안정하게 분사되어야 한다. 따라서, 일반적으로 프린트헤드의 표면에 소수성 코팅막을 도포함으로써 잉크가 완전한 액적의 형태로 분사될 수 있도록 하며, 잉크가 분사된 후 노즐의 출구 부위에 형성되는 메니스커스(meniscus)도 빠르게 안정될 수 있도록 한다. 또한, 소수성 코팅막은 노즐 주위의 표면에 잉크 또는 이물질이 묻어서 오염되는 것도 방지될 수 있으며, 이에 따라 잉크 토출의 직진성도 확보할 수 있게 된다. 한편, 잉크 젯 프린트헤드의 표면은 계속적으로 고온상태에서 잉크에 노출되어 있고 잔류된 잉크를 제거하기 위한 와이핑(wiping)에 의해 스크래치나딤플(dimple)이 발생하기 쉬우므로, 내마모성이나 내부식성 등 내구성이 우수하여야 한다.

그런데, 종래에 통상 사용되는 코팅막의 재질로는 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 탄탈륨(Ta) 등의 금속재료나 내열성 수지의 일종인 테프론(Teflon) 계열의 고분자 재료가 사용되어 왔다. 그러나, 금속재료의 경우에는 내구성은 우수한 반면 소수성이 만족할 만한 수준이 되지 못하며, 테프론 계열의 고분자재료의 경우에는 소수성은 우수한 반면 내구성이 낮은 단점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 프린트헤드에서는 코팅막(180)의 재료로서 소수성과 내구성이 모두 우수한 것으로 알려져 있는 DLC(Diamond-Like Carbon)가 사용된다. DLC는 탄소 원자가 SP²분자 결합과 SP³분자 결합의 형태로 결합된 구조를 가진다. 그 결과 DLC는 전형적인 다이아몬드의 특성을 가지며 또한 SP²분자 결합으로 인해 흑연과 관련된 성질도 가지게 된다. 따라서, DLC 코팅막(180)은 대략 0.1㎛의 얇은 두께에서도 우수한 소수성과 내마모성 및 내부식성을 나타내는 장점이 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크 토출부의 수직 구조를 도시한 단면도이다. 본 실시예는 잉크 챔버의 상부에 노즐 가이드가 형성되는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 대부분이 동일하므로, 그 차이점만 간략하게 설명하기로 한다.

도 7에 도시된 잉크 토출부에 있어서, 잉크 챔버(114)의 바닥면은 전술한 일 실시예와 같이 대략 반구형의 구면을 이루지만, 상부에는 노즐(118)의 가장자리로부터 잉크 챔버(114)의 깊이 방향으로 연장되는 노즐 가이드(210)가 형성되어 있다. 노즐 가이드(210)는 토출되는 잉크 액적을 가이드하여 잉크 액적이 기판(110)에 정확히 수직한 방향으로 토출될 수 있도록 하는 기능을 한다.

한편, 본 실시예에 따른 프린트헤드에 있어서도, 그 구성요소들과 MOS 집적 회로가 실리콘 기판(110)에 일체화하여 형성되며, 그 최외측 표면에 소수성과 내구성이 우수한 DLC 코팅막(180)이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 프린트헤드의 히터(130)와 전극(160)에 대해서도 도 5와 도 6에 도시된 바와 같은 형상, 배치 및 접속 형태가 적용될 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하기로 한다.

먼저 도 8a를 참조하면, 모세관 현상에 의해 매니폴드(112)와 잉크 채널(116)을 통해 잉크 챔버(114) 내부로 잉크(190)가 공급된다. 잉크 챔버(114) 내부에 잉크(190)가 채워진 상태에서, MOS 집적 회로에 의해 히터(130)에 펄스상 전류가 인가되면 히터(130)에서 열이 발생된다. 발생된 열은 히터(130) 아래의 산화막(120)을 통해 잉크 챔버(114) 내부의 잉크(190)로 전달되고, 이에 따라 잉크(190)가 비등하여 버블(195)이 생성된다. 이 버블(195)의 형상은 히터(130)의 형상에 따라 대략 도우넛 형상이 된다.

도우넛 형상의 버블(195)이 시간이 지남에 따라 팽창하면, 도 8b에 도시된 바와 같이 노즐(118) 아래에서 합쳐져 중앙부가 오목한 대략 원반형의 버블(196)로성장한다. 동시에, 팽창된 버블(196)에 의해 잉크 챔버(114)로부터 노즐(118)을 통해 잉크 액적(191)이 토출된다.

인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블(196)은 수축되거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버(114) 내에는 다시 잉크(190)가 채워진다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의한 프린트헤드의 잉크 토출 메카니즘에 따르면, 도우넛 모양의 버블(195)이 중앙에서 합쳐져 원반형의 버블(196)을 형성함으로써 토출되는 잉크 액적(191)의 꼬리를 잘라주게 되어 부 액적(satellite droplet)이 생기지 않는다. 그리고, 버블(195, 196)의 팽창이 반구형의 잉크 챔버(114) 내부로 한정되면서 잉크(190)의 역류가 억제되므로 인접한 다른 잉크 토출부와의 간섭(cross talk)이 억제된다. 더욱이, 잉크 채널(116)의 직경이 노즐(118)의 직경보다 작은 경우는, 잉크(190)의 역류를 방지하는데 더욱 효과적이다.

또한, 히터(130)가 원형의 고리 형상 또는 오메가 형상으로 그 면적이 넓어 가열과 냉각이 빠르고 그에 따라 버블(195, 196)의 생성에서 소멸에 이르는 소요시간이 빨라져 빠른 응답과 높은 구동 주파수를 가질 수 있다. 더욱이, 잉크 챔버(114)의 형상이 반구형으로 되어 있어 종래의 직육면체 또는 피라밋 모양의 잉크 챔버에 비해 버블(195, 196)의 팽창 경로가 안정적이고, 버블(195, 196)의 생성 및 팽창이 빨라 빠른 시간 내에 잉크의 토출이 이루어진다.

특히, 잉크 토출부의 최외측 표면에 우수한 소수성과 내구성을 가지는 코팅막(180)이 도포되어 있으므로, 잉크 액적(191)이 안정적으로 형성되고 그 토출도 정확하게 이루어질 수 있으며, 노즐(118) 주위 표면의 오염이 방지될 수 있다. 또한, 보다 얇은 두께의 막으로도 우수한 내구성을 나타내므로 프린트헤드의 수명이 증가될 수 있다.

먼저, 도 9a에 도시된 단계는 전술한 일 실시예의 잉크 액적 토출 메카니즘과 동일하므로 이를 간략하게 설명하면, 잉크 챔버(114) 내부에 잉크(190)가 공급되어 채워지게 되면, MOS 집적 회로에 의해 히터(130)에 펄스상 전류가 인가되고, 이에 따라 히터(130)에서 발생된 열로 인해 잉크(190)가 비등하여 대략 도우넛 형상의 버블(195')이 생성된다.

도우넛 형상의 버블(195')은 시간이 지남에 따라 팽창하게 되는데, 도 9b에 도시된 바와 같이 본 실시예의 잉크 토출부에는 노즐 가이드(210)가 형성되어 있으므로, 노즐(118) 아래에서 합쳐질 확률은 적어진다. 그러나, 이 팽창된 버블(196')이 노즐(118) 아래에서 합쳐질 확률은 노즐 가이드(210)의 아래쪽으로 연장된 길이를 조절함으로써 조절할 수 있다. 특히, 본 실시예에 의하면 팽창된 버블(196')에 의해 토출되는 액적(191)은 노즐 가이드(210)에 의해 토출방향이 가이드되어 정확히 기판(110)에 수직한 방향으로 토출될 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 일체형 잉크 젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 도 10을 참조하면, 본 실시예에서 기판(110)은 결정방향이 (100)이고 그 두께가 대략 500㎛인 실리콘 기판을 사용한다. 이는, 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다. 이 실리콘 기판(110)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 실리콘 기판(110)의 표면 및 배면이 산화되어 대략 480Å 두께의 실리콘 산화막(120, 122)이 형성된다.

한편, 도 10에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조된다. 또한, 도 10에서는 기판(110)의 표면과 배면 모두에 실리콘 산화막(120, 122)이 형성된 것으로 도시되었는데, 이는 실리콘 웨이퍼의 배면도 산화 분위기에 노출되는 배치식 산화로를 사용하였기 때문이다. 그러나, 웨이퍼의 표면만 노출되는 매엽식 산화로를 사용하는 경우는 배면에 실리콘 산화막(122)이 형성되지 않는다. 이렇게 사용하는 장치에 따라 소정의 물질막이 표면에만 형성되거나 배면까지 형성되는 점은 이하의 도 19까지 같다. 다만, 편의상 이하에서는 다른 물질막(후술하는 실리콘 질화막, 폴리 실리콘막, TEOS 산화막 등)은 기판(110)의 표면 쪽에만 형성되는 것으로 도시하고 설명한다.

이어서, 표면 쪽의 실리콘 산화막(120) 상에 실리콘 질화막(124)을 증착한다. 이 질화막(124)은 저압 화학기상증착법(Low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)에 의해 대략 1000Å의 두께로 증착될 수 있다. 이와 같이 형성된 질화막(124)은 후술하는 필드 산화막(도 11의 126 참조)의 형성시에 마스크로기능하게 된다.

도 11은 기판(110) 상에 형성된 실리콘 산화막(120)과 실리콘 질화막(124)의 일부분을 식각하고 그 식각된 부위에 필드 산화막(field oxide layer, 126)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 후술하는 MOSFET이 형성될 영역(M) 둘레의 실리콘 질화막(124)과 실리콘 산화막(120)을 포토레지스트(PR) 패턴을 식각 마스크로 하여 식각한다. 이어서, 전술한 식각에 의해 노출된 기판(110)의 표면을 산화로 내에서 산화시켜 그 표면에 보다 두꺼운 두께, 예컨대 7000Å의 두께로 필드 산화막(126)을 형성한다. 이 필드 산화막(126)은 MOSFET을 서로 절연시키는 절연막으로서의 기능을 하는 것으로, MOSFET 영역(M)을 둘러싸도록 형성된다.

한편, 도 11에서 필드 산화막(126)은 MOSFET 영역(M)의 둘레에만 형성되는 것으로 도시되었지만, MOSFET 영역(M)만 제외하고 기판(110)의 전 표면에 형성되도록 할 수도 있다. 후자의 경우에는 MOSFET 영역(M)을 제외한 부위의 실리콘 질화막(124)과 실리콘 산화막(120)을 모두 식각한 후, 이 식각으로 인해 노출된 기판(110)의 표면 전체에 보다 두꺼운 필드 산화막(126)을 형성하게 된다. 그러나, 후자의 경우보다 전자의 경우에서 후술하는 바와 같이 히터(도 13의 130 참조) 아래의 실리콘 산화막(도 13의 120')의 두께가 보다 얇게 형성될 수 있다. 이는 히터에서 발생된 열이 그 아래의 잉크 챔버내에 담겨진 잉크로 보다 효율적이고 빠르게 전도될 수 있도록 한다.

도 12는 필드 산화막(126)이 형성된 기판(110) 표면에 다시 실리콘 산화막(120')을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 필드 산화막(126)이 형성된 후에, 기판(110) 표면 상의 실리콘 산화막(120)과 실리콘 질화막(125)을 식각에 의해 제거한다. 이어서, 산화로 내에서 노출된 기판(110)의 표면에 대략 630Å 두께의 실리콘 산화막(120')을 다시 형성시킨다. 이 실리콘 산화막(120')은 MOSFET 영역(M)에서는 MOSFET의 게이트 산화막으로서 기능하게 되고, 다른 부위, 즉 히터가 형성되는 부위에서는 히터 절연막으로서 기능하게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 전술한 기판(110) 표면 상의 실리콘 산화막(120)과 실리콘 질화막(125)을 식각에 의해 제거한 후 기판(110)의 표면에 새로운 실리콘 산화막(120')을 다시 형성하기 전에, 별도의 희생 산화막의 형성과 이를 제거하는 단계가 수행될 수 있다. 이 단계는 전술한 단계들에서 기판(110)의 표면 상에 부착된 이물질을 깨끗하게 제거하기 위해 수행된다.

또한, 실리콘 산화막(120')을 형성한 후에 임계 전압(threshold voltage)의 조절을 위해 MOSFET 영역(M)의 실리콘 산화막(120') 상에 보론을 도핑하는 단계를 거칠 수 있다.

도 13은 실리콘 산화막(120') 상에 히터(130)와 MOSFET의 게이트(gate, 142)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 이 히터(130)와 게이트(142)는 실리콘 산화막(120') 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘막을 증착시킨 다음 이를 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 불순물이 도핑된 폴리 실리콘막은 저압 화학기상증착법으로 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 증착함으로써 대략 5000Å의 두께로 형성될 수 있다. 이 폴리 실리콘막의 증착 두께는, 히터(130)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 실리콘 산화막(120') 전면에 증착된 폴리 실리콘막은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.

한편, 위에서는 히터(130)와 게이트(142)가 동일한 물질로써 동시에 형성되는 것으로 설명되었으나, 히터(130)의 성능 향상을 위해 게이트(142)와는 다른 물질, 예컨대 탄탈륨-알루미늄 합금으로 히터(130)가 형성될 수도 있다. 후자의 경우에는 히터(130)와 게이트(142) 각각을 형성하기 위한 사진공정과 식각공정이 별도로 수행된다.

도 14는 MOSFET 영역(M)에 MOSFET의 소스(source, 144)와 드레인(drain, 146)을 형성한 상태를 도시한 것이다. MOSFET의 소스(144)와 드레인(146)은 기판(129) 상에 불순물로서 예컨대 인(P)을 도핑함으로써 형성될 수 있다. 이로써, 게이트 산화막(120') 위의 게이트(142)와 게이트 산화막(120') 아래의 소스(144) 및 드레인(146)으로 이루어진 MOSFET이 형성된다.

도 15는 MOSFET과 히터(130) 위에 제1 보호막(150)과 BPSG막(Boro-Phosphorous-Silicate Glass, 155)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 제1 보호막(150)은 히터(130)와 게이트(142)를 보호하기 위한 막으로서 실리콘 질화막을 예컨대 대략 0.3㎛ 두께로 화학기상증착법으로 증착함으로써 이루어질 수 있다. BPSG막(155)은 표면을 평탄화하기 위하여 대략 0.2㎛ 두께로 스핀 코팅장치(spin coater)에 의해 제1 보호막(150) 상에 코팅될 수 있다.

한편, 도시되지는 않았지만, 제1 보호막(150)으로서 실리콘 질화막을 증착하기 전에 먼저 절연막으로서 TEOS(Tetraethyleorthosilane) 산화막을 증착할 수 있다. TEOS 산화막은 플라즈마 화학기상증착법(Plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)에 의해 대략 0.2㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이 경우에는, 히터(130)와 게이트(142) 위에 TEOS 산화막, 실리콘 질화막(150) 및 BPSG막(155)의 세 층의 막이 형성된다.

도 16은 전극(160)을 형성하고 그 위에 제2 보호막(170)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 제1 보호막(150)과 BPSG막(155)을 식각하여 히터(130) 및 MOSFET의 소스(144)와 드레인(146)에 연결되는 콘택트 홀을 형성한 뒤, 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 전극(160)을 형성한다.

그 다음에, 전극(160)이 형성된 기판(110) 전면에 전극(160)을 보호하기 위한 제2 보호막(170)으로서 TEOS 산화막을 증착한다. 이 제2 보호막(170)은 대략 0.7㎛ 정도의 두께로 플라즈마 화학기상증착법으로 증착할 수 있다.

한편, 상기 전극(160)의 보호막은 산화막, 질화막 및 산화막을 순차 증착함으로써 이루어진 3층 구조의 막으로 이루어질 수도 있다.

도 17은 노즐(118)과 매니폴드(112)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 히터(130)의 안쪽으로 히터(130)의 직경보다 작은 직경, 예컨대 16∼20㎛ 정도의 직경으로 제2 보호막(170), BPSG막(155), 제1 보호막(150) 및 실리콘 산화막(120')을 순차 식각하여 노즐(118)을 형성한다. 노즐(118)은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 형성될 수 있다.

이어서, 매니폴드(112)는 기판(110)의 배면을 경사식각함으로써 형성된다. 구체적으로, 기판(110)의 배면에 식각될 영역을 한정하는 식각마스크를 형성하고 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)를 에칭액(etchant)으로 하여 소정시간 동안 습식식각하면, (111)방향으로의 식각이 다른 방향에 비해 느리게 되어 대략 54.7°의 경사를 가지는 매니폴드(112)가 형성된다.

한편, 도 17에서 상기 매니폴드(112)는 노즐(118)을 형성한 후에 형성하는 것으로 설명되었으나, 이는 그 전의 어느 단계에서도 형성될 수도 있다. 또한, 매니폴드(112)는 기판(110)의 배면을 경사식각하여 형성하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 경사식각이 아닌 이방성 식각으로 형성할 수도 있다.

도 18은 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 잉크 챔버(114)는 노즐(118)에 의해 노출된 기판(110)을 등방성 식각함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로, XeF₂가스 또는 BrF₃가스를 식각가스로 사용하여 기판(110)을 소정시간 동안 건식식각한다. 그러면 도시된 바와 같이, 그 깊이와 반경이 대략 20㎛인 대략 반구형의 잉크 챔버(114)가 형성된다.

한편, 잉크 챔버(114)는 기판(110)을 이방성 식각하는 단계 및 이에 이어 등방성 식각하는 단계의 두 단계로 식각함으로써 형성할 수도 있다. 즉, 실리콘 기판(110)을 유도결합 플라즈마 식각(Inductively Coupled Plasma Etching)이나 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)을 이용하여 이방성 식각하여 소정 깊이의 홀(미도시)을 형성한 후, 이어서, 상기와 같은 방법으로 등방성 식각한다. 또한,잉크 챔버(114)는 또 다른 방법으로서, 기판(110)의 잉크 챔버(114)를 이룰 부위를 다공질 실리콘층으로 변화시킨 다음에 이 다공질 실리콘층을 선택적으로 식각하여 제거함으로써 형성할 수도 있다.

이어서, 잉크 챔버(114) 바닥부위의 기판(110)을 이방성 식각함으로써 잉크 챔버(114)와 매니폴드(112)를 연결하는 잉크 채널(116)을 형성한다. 이때, 잉크 채널(116)의 직경을 노즐(122)의 직경과 같거나 보다 작도록 형성하는데, 특히 잉크 채널(116)의 직경이 노즐(122)의 직경보다 작은 경우가 잉크의 역류를 방지하는데 있어서 보다 바람직하므로, 잉크 채널(116)의 형성시 그 직경은 미세하게 제어될 필요가 있다.

도 19는 잉크 토출부의 최외측 표면에 코팅막(180)을 형성함으로써 본 실시예에 따른 프린트헤드를 완성한 상태를 도시한 것이다. 여기에서, 코팅막(180)의 재질로서는 전술한 바와 같이 우수한 소수성과 내마모성 및 내부식성 등의 내구성을 가진 DLC(Diamond-Like Carbon)가 사용된다. 이와 같은 DLC 코팅막(180)은 화학기상증착법이나 스퍼터링법에 의해 대략 0.1㎛의 두께로 형성될 수 있다.

도 7에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드의 제조방법은 노즐 가이드(도 7의 210 참조)를 형성하는 단계가 추가되는 것을 제외하고는 전술한 도 4에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드의 제조방법과 동일하다. 즉, 도 16에 도시된 단계까지는 동일하고, 그 이후의 단계에서는 노즐 가이드를 형성하는 단계가 추가된다. 따라서, 이하에서는 상기한 차이점을 중심으로 도 7에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드의 제조방법을 설명하기로 한다.

도 20에 도시된 바와 같이, 도 16에 도시된 상태에서 히터(130)의 안쪽으로 히터(130)의 직경보다 작은 직경, 예컨대 16∼20㎛ 정도의 직경으로 제2 보호막(170), BPSG막(155), 제1 보호막(150) 및 실리콘 산화막(120')을 순차 식각하여 노즐(118)을 형성한다. 이어서, 노즐(118)에 의해 노출된 기판(110)을 이방성 식각하여 소정 깊이의 홀(205)을 형성한다. 노즐(118)과 홀(205)은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 형성될 수 있다.

다음으로, 도 21에 도시된 바와 같이, 잉크 토출부의 전면에 전면에 소정의 물질막, 예컨대 TEOS 산화막(207)을 대략 1㎛ 두께로 증착한다. 이어서, 기판(110)의 배면을 경사식각하여 매니폴드(112)를 형성한다. 매니폴드(112)의 형성 방법과 그 형성 단계는 전술한 바와 같다.

그 다음에, TEOS 산화막(207)을 기판(110)이 노출될 때까지 이방성 식각하면 도 22에 도시된 바와 같이 홀(205)의 측벽에 노즐 가이드(210)가 형성된다. 이와 같은 상태에서 홀(205)의 저면에 노출된 기판(110)을 전술한 방법으로 식각하여 잉크 챔버(114)와 잉크 채널(116)을 형성한다.

한편, 도시되지는 않았지만, 전술한 노즐 가이드(210)가 형성된 후 그 내주면에 별도의 산화막을 증착하는 단계를 거칠 수 있다. 이 산화막은 노즐 가이드(210)의 두께를 증가시켜 이를 강화시키기 위한 것으로, 플라즈마 화학기상증착법에 의해 증착될 수 있다.

마지막으로, 전술한 바와 같은 방법으로 잉크 토출부의 최외측 표면에 DLC 코팅막(180)을 형성하게 되면, 도 23에 도시된 바와 같이 잉크 챔버(114)의 상부에 노즐(118)의 내벽을 이루는 노즐 가이드(210)가 형성된 프린트헤드가 완성된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 즉, 기판은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터나 전극, 실리콘 산화막, 질화막 등도 마찬가지이다. 또, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 프린트헤드 제조 방법의 각 단계의 순서는 예시된 바와 달리할 수 있다. 예컨대, 매니폴드를 형성하기 위한 기판 배면의 식각은 도 17에 도시된 단계에서 뿐만 아니라, 그 이전 또는 이후의 단계에서도 수행될 수도 있다. 아울러, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 프린트헤드가 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 예시된 범위를 벗어나 조정가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 매니폴드, 잉크 챔버, 잉크 채널 및 히터 등의 구성요소들과 MOS 집적회로가 기판 상에 일체화하여 형성되므로, 종래 기술에 있어서 노즐판과 잉크 챔버 및 잉크 채널부를 따로 제작하여 본딩하는 등의 복잡한 공정을 거쳐야 했던 불편과 오정렬의 문제가 해소된다. 또한, 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하므로 일반적인 반도체 소자의 제조공정과 호환이 가능하며 대량생산이 용이해진다.

둘째, 잉크 토출부의 외측 표면에 형성된 DLC 코팅막은 우수한 소수성과 내구성을 가지므로, 보다 안정되고 정확한 잉크 액적의 토출을 가능하게 하여 잉크 젯 프린트헤드의 신뢰성 및 인쇄 품질이 향상될 수 있으며, 그 수명 또한 향상될 수 있다.

셋째, 버블의 형태를 도우넛 형태로 하고 잉크 챔버의 형상을 반구형으로 함으로써 잉크의 역류를 억제할 수 있어 다른 잉크 토출부와의 간섭을 피할 수 있으며, 또한 부 액적의 발생을 억제할 수 있게 된다.

Claims

잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 실질적으로 반구형의 형상으로 된 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성된 기판;

상기 기판 상에 증착되며, 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 실리콘 산화막;

상기 실리콘 산화막 상에 형성되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및

상기 히터를 구동시키기 위하여 상기 기판 상에 마련되며, MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로;를 구비하며,

상기 실리콘 산화막, 상기 히터 및 상기 MOS 집적 회로는 상기 기판 상에 일체화되어 형성되며, 상기 MOSFET은 상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 형성된 게이트와 그 아래에 형성된 소스와 드레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
잉크를 공급하는 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 실질적으로 반구형의 형상으로 된 잉크 챔버와, 잉크를 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버로 공급하는 잉크 채널이 일체로 형성된 기판;

상기 기판 상에 증착되며, 상기 잉크 챔버의 중심부에 대응되는 위치에 잉크의 토출이 이루어지는 노즐이 형성된 실리콘 산화막;

상기 실리콘 산화막 상에 형성되며, 상기 노즐을 둘러싸는 환상으로 형성된 히터; 및

상기 히터를 구동시키기 위하여 상기 기판 상에 마련되며, MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로;를 구비하며,

상기 실리콘 산화막, 상기 히터 및 상기 MOS 집적 회로는 상기 기판 상에 일체화되어 형성되며, 그 외측 표면에는 DLC로 이루어진 코팅막이 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 2항에 있어서,

상기 MOSFET은 상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 형성된 게이트와 그 아래에 형성된 소스와 드레인을 구비하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 1항 또는 제 3항에 있어서,

상기 히터와 상기 MOSFET의 게이트는 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 MOSFET의 둘레에는 절연막으로서 상기 실리콘 산화막보다 두꺼운 필드 산화막이 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 히터와 상기 MOSFET 위에는 제1 보호막이 형성되며, 상기 전극 위에는 제2 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 6항에 있어서,

상기 제1 보호막은 실리콘 질화막을 포함하며, 상기 제2 보호막은 TEOS 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장된 노즐 가이드가 형성된 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 매니폴드는 상기 기판의 배면에 형성되고, 상기 잉크 채널은 상기 잉크 챔버의 바닥에 상기 매니폴드와 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 젯 방식의 일체형 잉크 젯 프린트헤드.
실리콘 기판을 준비하는 단계;

상기 기판의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성하는 단계;

상기 실리콘 산화막 상에 환상의 히터를 형성하는 단계;

상기 기판 상에 상기 히터를 구동시키기 위한 MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로를 형성하는 단계;

상기 히터의 안쪽으로 상기 히터의 직경보다 작은 직경으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 잉크의 토출이 이루어지는 노즐을 형성하는 단계;

상기 기판의 배면을 식각하여 잉크를 공급하는 매니폴드를 형성하는 단계;

상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여, 상기 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버를 형성하는 단계; 및

상기 노즐을 통해 상기 잉크 챔버의 바닥을 식각하여 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계;를 구비하며,

상기 MOS 집적 회로 형성 단계는;

상기 MOSFET이 형성될 영역 둘레에 상기 실리콘 산화막보다 두꺼운 필드 산화막을 증착하는 단계와,

상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 MOSFET의 게이트를 형성하는 단계와,

상기 실리콘 산화막 아래에 MOSFET의 소스와 드레인을 형성하는 단계와,

상기 히터와 상기 MOSFET을 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
실리콘 기판을 준비하는 단계;

상기 기판의 표면을 산화시켜 실리콘 산화막을 형성하는 단계;

상기 실리콘 산화막 상에 환상의 히터를 형성하는 단계;

상기 기판 상에 상기 히터를 구동시키기 위한 MOSFET과 상기 히터에 접속되는 전극을 포함하는 MOS 집적 회로를 형성하는 단계;

상기 히터의 안쪽으로 상기 히터의 직경보다 작은 직경으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 잉크의 토출이 이루어지는 노즐을 형성하는 단계;

상기 기판의 배면을 식각하여 잉크를 공급하는 매니폴드를 형성하는 단계;

상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여, 상기 히터의 직경보다 큰 직경을 가지고 실질적으로 반구형의 형상을 가지는 잉크 챔버를 형성하는 단계;

상기 노즐을 통해 상기 잉크 챔버의 바닥을 식각하여 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계; 및

잉크 토출부의 외측 표면에 DLC로 이루어진 코팅막을 도포하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 MOS 집적 회로 형성 단계는;

상기 MOSFET이 형성될 영역 둘레에 상기 실리콘 산화막보다 두꺼운 필드 산화막을 증착하는 단계와,

상기 실리콘 산화막을 게이트 산화막으로 하여 그 위에 MOSFET의 게이트를 형성하는 단계와,

상기 실리콘 산화막 아래에 MOSFET의 소스와 드레인을 형성하는 단계와,

상기 히터와 상기 MOSFET을 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 12항에 있어서,

상기 게이트 형성 단계 전에 임계 전압의 조절을 위해 상기 MOSFET이 형성될 영역의 실리콘 산화막 상에 보론을 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 12항에 있어서,

상기 게이트와 상기 히터는 동일한 재료로써 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 14항에 있어서,

상기 게이트와 상기 히터는 상기 실리콘 산화막 상에 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 증착하고 이를 패터닝함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 12항에 있어서,

상기 게이트는 불순물이 도핑된 폴리 실리콘으로 이루어지고 상기 히터는 탄탈륨-알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

상기 히터와 상기 MOSFET 위에는 제1 보호막이 형성되며, 상기 제1 보호막 상에 상기 전극이 형성되고, 상기 전극 위에 제2 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 17항에 있어서,

상기 제1 보호막은 실리콘 질화막을 포함하며, 상기 제2 보호막은 TEOS 산화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 17항에 있어서,

상기 제1 보호막 위에는 그 표면을 평탄화하기 위한 BPSG막이 도포되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 17항에 있어서,

상기 제1 보호막을 증착하기 전에 먼저 절연막으로서 TEOS 산화막을 증착하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 17항에 있어서,

상기 제2 보호막은 산화막, 질화막 및 산화막을 순차 증착함으로써 3층 구조의 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는, 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 상기 잉크 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는, 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각한 후에 상기 기판을 등방성 식각함으로써 상기 잉크 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는;

상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 이방성 식각하여 소정 깊이의 홀을 형성하는 단계와,

상기 이방성 식각된 기판의 전면에 소정의 물질막을 소정 두께로 증착하는 단계와,

상기 물질막을 이방성 식각하여 상기 홀의 바닥을 노출함과 동시에 상기 홀의 측벽에 상기 물질막으로 이루어진 노즐 가이드를 형성하는 단계와,

상기 홀의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각하여 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 24항에 있어서,

상기 물질막은 TEOS 산화막인 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

상기 잉크 채널을 형성하는 단계에서, 상기 잉크 채널은 그 직경이 상기 노즐의 직경과 같거나 보다 작도록 형성되는 것을 특징을 하는 일체형 잉크 젯 프린트헤드의 제조방법.