KR100433530B1 - 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법이 개시된다. 개시된 제조 방법은, 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 실리콘 기판에 잉크 공급용 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널과, 잉크를 토출하는 노즐로 이루어지는 잉크 유로를 형성하는 단계와, 잉크 유로에 XeF2가스를 통과시켜 잉크 유로의 벽면을 건식 식각하는 잉크 유로 재가공 단계를 구비한다. 본 발명에 의하면, XeF2가스를 사용한 잉크 유로 재가공 단계에서, 잉크 유로의 벽면 거칠기를 감소시킬 수 있으며, 그 크기를 설계치에 보다 정확하게 맞출 수 있게 되므로, 프린트 헤드의 성능을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 기판에 일체로 형성된 잉크 유로를 가진 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과, 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
상술한 버블젯 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.
도 1a 및 도 1b는 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 일례로서, 미국특허 US 4,882,595호에 개시된 잉크젯 프린트 헤드의 구조를 나타내 보인 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(49)가 채워지는 잉크 챔버(26)를 형성하는 격벽부재(38)와, 잉크 챔버(26) 내에 설치되는 히터(12)와, 잉크 액적(49')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐판(18)을 포함하고 있다. 상기 잉크 챔버(26) 내에는 도시되지 않은 잉크 저장고와 연결된 잉크 공급 매니폴드(14)로부터 잉크 채널(24)을 통해 잉크(49)가 채워지며, 잉크 챔버(24)와 연통된 노즐(16) 내에도 모세관 현상에 의해 잉크(49)가 채워진다. 그리고, 프린트 헤드에는 다수의 노즐(16)과 이에 대응하여 다수의 히터(12) 및 잉크 챔버(26) 등이 마련되는데. 이들은 각 잉크 공급 매니폴드(14)마다 이에 인접하여 1 열씩 배열되거나, 또는 매니폴드(14) 양측에 각 1 열씩 배열되어 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 히터(12)에 전류가 공급되면 히터(12)가 발열되면서 챔버(26) 내에 채워진 잉크(49) 안에 버블(48)이 형성된다. 그 후, 이 버블(48)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 챔버(26) 내에 채워진 잉크(49)에 압력이 가해져 노즐(24)을 통해 외부로 잉크 액적(49')를 밀어내게 된다. 그 다음에, 잉크 채널(24)을 통해 잉크(49)가 흡입되면서 챔버(26)에 다시 잉크(49)가 채워진다.
그런데, 이러한 구조를 가진 종래의 프린트 헤드를 제조하기 위해서는노즐(16)이 형성된 노즐판(18)과 잉크 챔버(26) 및 잉크 채널(24) 등이 그 위에 형성된 기판(10)을 따로 제작하여 본딩하여야 하므로, 제조 공정이 복잡하고 노즐판(18)과 기판(10)의 본딩시에 오정렬의 문제가 발생될 수 있는 단점이 있다.
따라서, 최근에는 상기한 문제점을 해소하기 위해 실리콘 기판 상에 일체화되어 구현된 잉크젯 프린트 헤드가 제안되고 있다. 이와 같은 프린트 헤드는 주로 물질층의 증착(deposition), 포토리소그라피(photolithigraphy) 및 식각(etching) 등의 반도체 소자 제조 기술을 이용하여 제조된다. 이러한 방법에 의하면, 프린트 헤드의 구성요소간의 오정렬의 문제가 해소되며, 일반적인 반도체 소자의 제조 공정과 호환성이 있으므로 제조 공정이 단순화되고 대량생산이 용이해지는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
이와 같이 실리콘 기판에 일체화되어 구현된 프린트 헤드의 일례로서, 도 2에는 유럽 공개 특허 EP 1 078 754 A2호에 개시된 잉크젯 프린트 헤드의 구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 실리콘 기판(50) 위에는 다수의 얇은 물질층들(52, 54, 56, 58)들이 적층되어 있다. 이 물질층들(52, 54, 56, 58) 사이에는 잉크를 가열하기 위해 열을 발생시키는 저항체 층(70)이 형성되어 있다. 이 물질층들(52, 54, 56, 58)과 저항체 층(70)은 기판(50) 표면의 산화, 기판(50) 상에 소정 물질의 증착, 포토리소그라피에 의해 형성되는 식각 마스크를 이용한 식각 등에 의해 형성된다. 그리고, 이러한 물질층들(52, 54, 56, 58)을 관통하는 잉크 공급구(74)가 형성되어 있다. 잉크 공급구(74)는 물질층들(52, 54, 56, 58) 위에 포토리소그라피에의해 식각 마스크를 형성한 후, 이 물질층들(52, 54, 56, 58)을 건식 또는 습식 식각함으로써 형성된다. 잉크 공급을 위한 매니폴드(72)는 기판(50)의 배면을 건식 또는 습식 식각함으로써 형성된다. 물질층들(52, 54, 56, 58) 위에는 노즐(78)과 잉크 챔버(76)를 한정하는 오리피스 층(60)이 형성된다. 오리피스 층(60)은 포토레지스트를 라미네이팅, 스크린 프린팅 또는 스핀 코팅 방법에 의해 물질층들(52, 54, 56, 58) 위에 도포함으로써 형성되며, 노즐(78)과 잉크 챔버(76)는 포토리소그라피에 의해 형성된다.
상기한 바와 같이, 도 2에 도시된 구조의 잉크젯 프린트 헤드는, 실리콘 기판(50)에 잉크 유로를 이루는 구성요소들, 즉 매니폴드(72), 잉크 공급구(74), 잉크 챔버(76) 및 노즐(78)이 포토리소그라피 및/또는 식각 방법에 의해 형성되므로, 전술한 바와 같은 장점이 있다.
그런데, 상기한 종래의 잉크 유로의 형성 방법은 주로 반응성 이온 식각( Reactive Ion Etching)과 유도결합 플라즈마 식각(Inductively Coupled Plasma Etching)으로 대표되는 건식 식각 기술과, KOH, TMAH 등을 사용하는 습식 식각 기술을 이용한다. 건식 식각의 경우, 대부분 이방성 식각이어서 복잡한 내부 구조를 가진 잉크 유로를 가공하기 어렵고, 가공 깊이도 한계가 있으며, 가공 표면도 거친 단점이 있다. 또한, 식각 과정에서 원하지 않는 부분까지 식각되기 때문에 포토리소그라피에 의한 식각 마스크를 형성하여야 하므로 공정 시간과 비용이 많이 소요되는 단점도 있다. 습식 식각의 경우, 가공된 표면은 비교적 평탄하나, 실리콘 이외에도 다른 물질과 반응을 잘하므로 선택적으로 원하는 부분만 식각하기 어려우며, 건식 식각에 비해 식각 시간도 오래 걸리는 단점이 있다.
따라서, 상기한 바와 같이 잉크 유로의 형상과 크기 등을 고려하여 건식 식각과 습식 식각 방법을 혼용하는 종래의 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 의하면, 형성된 잉크 유로의 벽면이 비교적 거칠고, 또한 잉크 유로의 크기를 설계치에 정확하게 맞추어 형성하기가 곤란한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 실리콘 기판에 잉크 유로를 형성한 후 그 잉크 유로의 내측면을 XeF2가스를 사용하여 재가공하는 단계를 포함하는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 일례를 나타내 보인 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 종래의 버블젯 방식의 잉크젯 프린트 헤드의 다른 예를 나타내 보인 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 일례를 도시한 수직 단면도이다.
도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 일체형 잉크젯 프린트 헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5 내지 도 13은 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 바람직한 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 도 13에 도시된 잉크 채널 부위의 확대 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...기판 112...매니폴드
114,114'...잉크 채널 116...잉크 챔버
118...노즐 120...멤브레인층
122...절연막 124...히터
126...제1 보호막 128...전극
130...제2 보호막
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법은,
실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 실리콘 기판에 잉크 공급용 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널과, 잉크를 토출하는 노즐로 이루어지는 잉크 유로를 형성하는 단계; 및
상기 잉크 유로에 XeF2가스를 통과시켜 상기 잉크 유로의 벽면을 건식 식각하는 잉크 유로 재가공 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 따른 프린트 헤드의 제조 방법은, 실리콘 기판에 잉크 유로를 형성한 후, 그 잉크 유로를 XeF2가스를 사용하여 재가공하게 된다.
XeF2가스는 실리콘 이외의 물질과는 거의 반응을 하지 않는 성질을 가지고 있으므로, 이를 사용한 식각 공정에 있어서, XeF2가스는 실리콘에 대해서 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 포토레지스트 또는 알루미늄 등에 비해 훨씬 높은 선택비를 가지게 된다. 따라서, 상기한 잉크 유로 재가공 단계에서 XeF2가스를 사용하게 되면, 다른 물질층에는 거의 영향을 주지 않고 상기 잉크 유로의 벽면을 이루는 실리콘 기판만 식각할 수 있게 된다.
XeF2가스와 실리콘의 반응식은 다음과 같다.
2XeF2+ Si → 2Xe + SiF4
상기 반응식을 보면, XeF2가스와 실리콘 기판이 접촉하게 되면, 실리콘 기판 표면의 실리콘(Si)과 XeF2가스가 화학반응하여 SiF4를 생성하게 된다. 이와 같이 생성된 SiF4는 실리콘 기판의 표면으로부터 떨어져 나오게 됨으로써 실리콘 기판의 표면이 소정 두께로 식각될 수 있다.
그리고, 다른 건식 또는 습식 식각 방법에 의한 경우에 비해 XeF2가스에 의해 식각된 실리콘 기판의 표면은 비교적 매끈하게 식각된다. 따라서, 상기한 잉크 유로 재가공 단계를 거치게 되면 잉크 유로의 벽면 거칠기가 감소될 수 있다.
또한, 상기한 잉크 유로 재가공 단계에서는 XeF2가스만 사용하고 플라즈마는 사용하지 않기 때문에, 회로에 전기, 자기적 영향을 미치지 않는다.
또한, XeF2가스는 실리콘 기판을 그 결정 방향에 영향을 받지 않고 등방성으로 식각하는 성질을 가지고 있다. 따라서, 복잡한 구조를 가진 잉크 유로에서도 그 벽면을 균일하게 가공할 수 있으므로, 상기한 잉크 유로 형성 단계에서 잉크 유로의 크기를 설계치에 보다 정확하게 맞출 수 있게 된다.
또한, 적절한 XeF2가스의 조절에 의해 상기 잉크 유로의 형상을 경사지게 만들 수 있다. 즉, 상기 잉크 유로 재가공 단계에서, 상기 잉크 채널은 상기 매니폴드에서 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 점차 단면적이 좁아지도록 그 벽면이 경사지게 재가공될 수 있다. 이에 따라 잉크의 공급 속도 증가와 잉크의 역류 방지 효과를 성취할 수 있다. 이는, XeF2가스의 흐름 속도를 조절함으로써 가능해지는데, 이에 대해서는 이하의 바람직한 실시예의 설명에서 다시 언급하기로 한다.
한편, 상기 잉크 유로 형성 단계는,
상기 실리콘 기판 위에 복수개의 물질막이 적층되어 이루어진 멤브레인층을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층을 소정의 직경으로 식각하여 상기 노즐을 형성하는 단계; 상기 노즐을 통해 노출된 상기 기판을 식각하여 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판의 배면을 식각하여 상기 매니폴드를 형성하는 단계; 및 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이의 상기 기판을 식각하여 상기 잉크 채널을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 멤브레인층은, 상기 실리콘 기판 위에, 절연막과, 절연막 위에 형성된 히터를 보호하기 위한 제1 보호막과, 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 보호하기 위한 제2 보호막을 순차적으로 형성함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 상기 잉크 챔버는, 상기 노즐을 통해 상기 기판을 등방성 건식 식각하여 실질적으로 반구형의 형상을 가지도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 의하면, 실리콘 기판에 일체로 형성된 잉크젯 프린트 헤드의 잉크 유로를 XeF2가스를 사용하여 재가공함으로써, 잉크 유로의 벽면 거칠기가 감소되고 그 크기를 설계치에 보다 정확하게 맞출 수 있게 되어 프린트 헤드의 성능이 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 제조 방법이 적용된 바람직한 실시예를 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.
먼저, 도 3을 참조하며, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 일례를 설명한다.
도시된 바와 같이, 기판(110)에는 그 표면쪽에 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(116)가 형성되고, 그 배면쪽에는 잉크 챔버(116)로 잉크를 공급하는 매니폴드(112)가 형성된다. 여기에서, 기판(110)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지며, 잉크 챔버(116)는 대략 반구형의 형상으로 이루어진다.
그리고, 잉크 챔버(116)와 매니폴드(112) 사이에는 이들을 서로 연결하는 잉크 채널(114)이 형성된다. 잉크 채널(114)의 단면 형상은 원형으로 된 것이 바람직하다. 그러나, 잉크 채널(114)의 단면 형상은 원형이 아니더라도 타원형이나 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
기판(110) 위에는 잉크 챔버(116)의 중심에 대응하는 위치에 노즐(118)이 마련된 멤브레인층(120)이 형성되며, 이 멤브레인층(120)은 잉크 챔버(116)의 상부 벽을 이루게 된다. 이 멤브레인층(120)은 다수의 물질막이 적층되어 이루어진다.
멤브레인층(120)의 가장 아래쪽의 막은 절연막(122)이며, 이는 실리콘 기판(110)을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있다.
절연막(122) 위에는 노즐(118)을 둘러싸는 형상으로 버블 생성용 히터(124)가 형성된다. 이 히터(124)는 바람직하게는 원형의 링 형상으로 되어 있으며, 불순물이 도핑된 폴리 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 저항 발열체로 이루어진다.
절연막(122)과 히터(124) 위에는 히터(124)를 보호하기 위한 제1 보호막(126)이 형성된다. 상기 제1 보호막(126)으로서 바람직하게는 실리콘 질화막이 사용될 수 있다.
상기 제1 보호막(126) 위에는 히터(124)에 펄스상 전류를 인가하기 위하여 통상 금속으로 이루어진 전극(128)이 형성된다.
그리고, 상기 제1 보호막(126)과 전극(128) 위에는 전극(128)을 보호하기 위한 제2 보호막(130)이 형성된다. 상기 제2 보호막(130)으로는 실리콘 산화막 또는 TEOS(Tetraethyle ortho silicate) 산화막이 형성될 수 있다.
이하에서는 도 4a 및 4b를 참조하며 상기한 구조를 가진 일체형 잉크젯 프린트 헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하기로 한다.
먼저 도 4a를 참조하면, 모세관 현상에 의해 매니폴드(112)와 잉크 채널(114)을 통해 잉크 챔버(116) 내부로 잉크(190)가 공급된다. 잉크 챔버(116) 내부에 잉크(190)가 채워진 상태에서, 전극(128)을 통해 히터(124)에 펄스상 전류가 인가되면 히터(124)에서 열이 발생된다. 발생된 열은 히터(124) 아래의 절연막(122)을 통해 잉크 챔버(116) 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)은 시간이 지남에 따라 팽창하게 되고, 노즐(118) 아래에서 합쳐져 대략 원반 형상의 버블(196)을 형성한다. 이와 같이 팽창된 버블(196)에 의한 압력에 의해 잉크 챔버(116)로부터 노즐(118)을 통해 잉크 액적(191)이 토출된다. 이때, 원반 형상의 버블(196)이 토출되는 잉크 액적(191)의 꼬리를 자르게 되므로, 잉크 액적(191)에 뒤따르는 부 액적(satellite droplet)이 생기지 않는다. 또한, 잉크 챔버(116)의 형상이 반구형으로 되어 있어 종래의 직육면체 또는 피라밋 모양의 잉크 챔버에 비해 버블(195, 196)의 팽창 경로가 안정적이다.
인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블(196)은 수축되거나 터뜨려지고, 잉크 챔버(116) 내에는 잉크 채널(114)을 통해 다시 잉크(190)가 채워진다.
다음으로, 본 발명의 제조 방법에 따라 상기한 구조의 일체형 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 공정을 도면을 참조하며 단계별로 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 13은 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 바람직한 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 14는 도 13에 도시된 잉크 채널 부위의 확대 단면도이다.
먼저, 도 5을 참조하면, 본 실시예에서 기판(110)은 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 실리콘 산화막(122, 122')이 형성된다. 기판(110) 표면쪽의 실리콘 산화막(122)은 전술한 절연막이고, 배면쪽의 실리콘 산화막(122')은 도 11에 도시된 바와 같이 매니폴드(112)를 형성하기 위한 식각 마스크로서 이용될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백 개의 칩 상태로 제조된다. 또한, 도 5에서는 기판(110)의 표면과 배면 모두에 실리콘 산화막(122, 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.
이어서, 기판(110) 표면 쪽의 실리콘 산화막(122) 상에 히터(124)를 형성한다. 이 히터(124)는 실리콘 산화막(122) 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘을 증착시킨 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 불순물이 도핑된 폴리 실리콘은 저압 화학기상증착법(Low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)으로 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 증착함으로써 대략 0.7 내지 1㎛ 두께로 형성될 수 있다. 이 폴리 실리콘막의 증착 두께는, 히터(124)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 실리콘 산화막(122) 전면에 증착된 폴리 실리콘막은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.
도 6은 히터(124) 형성된 실리콘 산화막(122) 전면에 히터(124)를 보호하기 위한 제1 보호막(126)을 형성한 후, 다시 그 위에 전극(128)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 제1 보호막(126)은 예컨대, 실리콘 질화막을 대략 0.5㎛ 두께로 화학기상증착법으로 증착함으로써 이루어질 수 있다. 그리고, 제1 보호막(126)을 부분적으로 식각하여 전극(128)과 접속될 부분의 히터(124)를 노출한다. 이어서, 전극(128)은 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성된다.
도 7는 전극(128)이 형성된 제1 보호막(126) 전면에 전극(128)을 보호하기 위한 제2 보호막(130)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 제2보호막(130)은 TEOS 산화막을 대략 0.7 ~ 1㎛ 정도의 두께로 플라즈마 화학기상증착법에 의해 증착함으로써 이루어질 수 있다.
이로써 기판(110) 위에는 수개의 물질막, 즉 실리콘 산화막(122), 제1 보호막(126) 및 제2 보호막(130)이 적층되어 이루어진 멤브레인층(120)이 형성된다.
도 8은 멤브레인층(120)에 잉크가 토출되는 노즐(118)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 히터(124)의 안쪽으로 히터(124)의 직경보다 작은 직경, 예컨대 16∼20㎛ 정도의 직경으로 제2 보호막(130), 제1 보호막(126) 및 실리콘 산화막(122)을 순차 식각하여 노즐(118)을 형성한다. 노즐(118)은 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 9는 잉크 챔버(116)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 잉크 챔버(116)는 노즐(118)에 의해 노출된 기판(110)을 등방성 건식 식각함으로써 형성할 수 있다. 그러면 도시된 바와 같이, 그 깊이와 반경이 대략 20 ~ 30㎛인 대략 반구형의 잉크 챔버(116)가 형성된다.
도 10과 도 11은 기판(110)의 배면을 식각하여 매니폴드(112)를 형성하는 단계를 도시한 것이다.
먼저, 도 10에 도시된 바와 같이 기판(110)의 배면에 형성된 실리콘 산화막(122')을 식각하여 매니폴드(도 11의 112)가 형성될 부위의 기판(110)의 배면을 노출시킨다. 실리콘 산화막(122')의 식각은 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 수행될 수 있다.
다음에는, 도 11에 도시된 바와 같이 기판(110)의 배면에 잔존된 실리콘 산화막(122')을 식각 마스크로 하여 노출된 기판(110)의 배면을 식각함으로써 매니폴드(112)를 형성한다. 구체적으로, 기판(110)의 배면을 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)를 에칭액(etchant)으로 하여 소정 시간동안 습식 식각하면, (111) 방향으로의 식각이 다른 방향에 비해 느리게 되어 대략 54.7°의 경사를 가지는 매니폴드(112)가 형성된다. 한편, 이 매니폴드(112)는 습식 식각이 아니라 이방성 건식 식각에 의해서도 형성될 수 있다.
도 12는 잉크 챔버(116)와 매니폴드(112)를 연결하는 잉크 채널(114)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 노즐(118)을 통해 잉크 챔버(116)의 바닥 부위의 기판(110)을 이방성 건식 식각하면 수직 관통된 잉크 채널(116)이 형성된다. 따라서, 이 잉크 채널(114)의 단면 형상은 노즐(118)의 형상과 같이 원형으로 이루어지며, 그 크기는 노즐(118)의 직경과 같거나 작게 된다. 이러한 이방성 건식 식각은 유도결합 플라즈마 식각이나 반응성 이온 식각에 의해 수행될 수 있다.
마지막으로, 도 13에 도시된 바와 같이 매니폴드(112), 잉크 채널(114) 및 잉크 챔버(116)의 벽면을 XeF2가스를 사용하여 건식 식각하는 단계를 거치게 된다. 상기한 XeF2가스는 실리콘에 대해 다른 물질에 비해 훨씬 높은 선택비를 가지므로, 다른 물질층에는 거의 영향을 주지 않으며, 도시된 바와 같이, 매니폴드(112), 잉크 채널(114) 및 잉크 챔버(116)의 벽면을 이루는 실리콘 기판(110)만 소정 두께로 식각할 수 있다. 또한, 이 단계에서는 XeF2가스만 사용하고 플라즈마는 사용하지않기 때문에, 기판(110) 상에 형성되는 전극(128)이나 구동 회로(미도시) 등에 전기, 자기적 영향을 미치지 않는다. 그리고, 이 단계를 거치게 되면, 전술한 바와 같이, 매니폴드(112), 잉크 채널(114) 및 잉크 챔버(116)의 벽면 거칠기가 감소되며, 이에 따라 잉크의 흐름이 보다 원활하게 이루어진다.
또한, 이 단계에서 XeF2가스에 의한 식각 시간을 조절하면 상기 벽면의 식각 두께를 제어할 수 있으므로, 매니폴드(112)와 잉크 채널(114)과 잉크 챔버(116)의 크기를 설계치에 보다 정확하게 맞출 수 있게 된다.
특히, 잉크 채널(114)의 직경은, 도 12의 단계에서 설명한 바와 같이, 노즐(118)의 직경보다 작거나 같게 형성되는데, 도 13의 단계에서 그 잉크 채널(114)의 직경을 확대할 수 있으므로 매니폴드(112)로부터 잉크 챔버(116)로의 잉크 공급 속도를 증가시킬 수 있다.
또한, 이 단계에서는, 도 14에 도시된 바와 같이, 잉크 채널(114')의 벽면을 경사지게 식각하여 매니폴드(112)에서 잉크 챔버(116)쪽으로 가면서 점차 단면적이 좁아지는 잉크 채널(114')을 형성할 수 있다. 구체적으로, 매니폴드(112)쪽으로부터 XeF2가스를 주입하면서 그 흐름 속도를 충분히 늦추게 되면, 잉크 채널(114')의 입구측 벽면이 XeF2가스와 보다 긴 시간동안 접하게 되어 보다 많이 식각 되고, 그 출구측 벽면은 보다 적게 식각되므로, 도시된 바와 같은 형상의 잉크 채널(114')이 형성될 수 있다. 이와 같은 형상을 가진 잉크 채널(114')에 의하면, 매니폴드(112)쪽의 잉크 채널(114') 입구가 충분히 넓어져서 매니폴드(112)로부터 잉크챔버(116)로의 잉크 공급 속도가 빨라지고, 잉크 챔버(116)쪽의 잉크 채널(114') 출구는 비교적 좁게 유지되어 잉크 액적의 토출시 잉크의 역류를 방지할 수 있게 된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 즉, 본 발명의 잉크 유로 재가공 단계를 포함하는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법은, 위에서 예시된 구조의 잉크젯 프린트 헤드 뿐만 아니라 다양한 구조를 가진 일체형 잉크젯 프린트 헤드에 적용될 수 있다.
그리고, 본 발명에서 프린트 헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 또, 각 물질의 적층 및 형성 방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착 방법과 식각 방법이 적용될 수 있다. 아울러, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 프린트 헤드가 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 예시된 범위를 벗어나 조정가능하다. 또한, 본 발명의 프린트 헤드 제조방법의 각 단계의 순서는 예시된 바와 달리할 수 있다. 즉, 매니폴드는 잉크 챔버 또는 노즐의 형성 전에 미리 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법에 의하면, 실리콘 기판에 일체로 형성된 잉크젯 프린트 헤드의 잉크 유로를 XeF2가스를 사용하여 재가공함으로써, 잉크 유로의 벽면 거칠기가 감소되고 그 크기를 설계치에 보다 정확하게 맞출 수 있게 되어 프린트 헤드의 성능이 향상된다.
또한, 본 발명에 의하면 잉크 채널을 매니폴드에서 잉크 챔버쪽으로 가면서 점차 단면적이 좁아지도록 경사지게 재가공할 수 있으므로, 잉크의 공급 속도가 증가되고 잉크의 역류도 방지된다. 이에 따라, 구동 주파수가 향상되고, 서로 인접한 노즐들 사이의 간섭이 억제되므로 잉크토출 특성이 향상된다.
Claims (6)
- 실리콘 기판을 준비하는 단계;상기 실리콘 기판에 잉크 공급용 매니폴드와, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널과, 잉크를 토출하는 노즐로 이루어지는 잉크 유로를 형성하는 단계; 및상기 잉크 유로에 XeF2가스를 통과시켜 상기 잉크 유로의 벽면을 건식 식각하는 잉크 유로 재가공 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 잉크 유로 재가공 단계에서, 상기 잉크 채널은 상기 매니폴드에서 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 점차 단면적이 좁아지도록 그 벽면이 경사지게 재가공되는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 잉크 유로 형성 단계는,상기 실리콘 기판 위에 복수개의 물질막이 적층되어 이루어진 멤브레인층을 형성하는 단계;상기 멤브레인층을 소정의 직경으로 식각하여 상기 노즐을 형성하는 단계;상기 노즐을 통해 노출된 상기 기판을 식각하여 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계;상기 실리콘 기판의 배면을 식각하여 상기 매니폴드를 형성하는 단계; 및상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이의 상기 기판을 식각하여 상기 잉크 채널을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 멤브레인층을 형성하는 단계는,상기 실리콘 기판의 표면에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 위에 상기 노즐을 둘러싸는 형상으로 히터를 형성하고, 상기 절연막과 상기 히터 위에 상기 히터를 보호하기 위한 제1 보호막을 형성하는 단계; 및상기 제1 보호막 위에 상기 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하고, 상기 제1 보호막과 상기 전극 위에 상기 전극을 보호하기 위한 제2 보호막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서,상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는, 상기 노즐을 통해 상기 기판을 등방성 건식 식각하여 실질적으로 반구형의 형상을 가진 상기 잉크 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크젯 프린트 헤드의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서,상기 잉크 채널을 형성하는 단계에서, 상기 노즐을 통해 상기 잉크 챔버의 바닥 부위의 상기 기판을 이방성 건식 식각하여 수직으로 관통된 상기 잉크 채널을 형성하고,상기 잉크 유로 재가공 단계에서, 상기 잉크 채널을 그 직경이 상기 노즐의 직경보다 커지도록, 그리고 상기 매니폴드에서 상기 잉크 챔버쪽으로 가면서 그 단면적이 점차 좁아지도록 그 벽면을 경사지게 재가공하는 것을 특징으로 하는 일체형 잉크 젯 프린트 헤드의 제조 방법.
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