KR100499119B1 - method for manufacturing of Monolithic nozzle assembly for ink-jet printhead using mono-crystalline silicon wafer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 프린트 헤드용 노즐 어셈블리의 제작 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 (100)면 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 잉크젯 프린트 헤드용 일체형 마이크로 유체 노즐 어셈블리는 기존의 여러 장의 웨이퍼 및 판을 사용하여 적층하던 복잡한 구조를 단순화하여 한 장의 (100)면 실리콘 단결정 웨이퍼를 이용하여 엇갈림이 없이 일체형으로 구현함으로써 대량생산을 가능케 하고, 더욱이 웨이퍼의 결정면을 이용한 이방성 에칭공정과 LOCOS 공정을 이용한 적절한 마스크 형성 공정 등을 이용하는 일괄 자동 정렬 공정으로 제작함으로써 웨이퍼의 수를 줄일 수 있다. 즉, 일반적인 실리콘 포토리소그래피 공정을 활용하여 이들의 얼라인 오차를 수 미크론 이하로 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 복잡하지도 않고 경제성이 탁월하며 수율도 좋다. The present invention describes a method of manufacturing a nozzle assembly for an integrated inkjet print head using a single crystal silicon wafer. The integrated microfluidic nozzle assembly for an inkjet printhead using a (100) plane single crystal silicon wafer according to the present invention simplifies the complicated structure of stacking using several wafers and plates. It is possible to reduce the number of wafers by making it integrated with no staggering, thereby enabling mass production, and by using batch automatic alignment process using anisotropic etching process using crystal surface of wafer and proper mask forming process using LOCOS process. . In other words, not only can the alignment error be reduced to a few microns or less by utilizing a general silicon photolithography process, but it is also not complicated, has excellent economic efficiency, and yields.
Description
본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 프린트 헤드용 노즐 어셈블리의 제작 방법(method for manufacturingof Monolithic Micro Nozzle Assembly for ink-zet print head using Mono-crystalline Silicon wafer)에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing of a monolithic micro nozzle assembly for ink-zet print head using a mono-crystalline silicon wafer.
도 1a는 유럽 특허 제 0 659 562 A2 호에 기재된 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드(a laminated ink jet recording head)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드는 기본적으로 노즐(100)이 형성된 노즐판(101), 3개의 커뮤니케이팅 홀 형성 보드(201a, 201b, 201c), 압력 발생 챔버 형성용 보드(301) 및 진동판(400)이 순차로 겹쳐진(laminated) 구조로 되어 있다. 압력 발생 챔버(300)에는 잉크 저장 용기(800)에 저장된 잉크가 인입구(700)을 지나 저장 챔버(600a)에 일시 저장되었다가 잉크 주입구(600c) 및 커뮤니케이션홀(600b)를 통하여 채워지게 된다. 잉크 저장 용기(800)에는 외부의 잉크통으로부터 제공되는 잉크가 필터(900)를 통하여 유입된다. 진동판(400)에는 압전 진동자(500)가 부착되어 인가되는 전압 신호에 따라 압력 발생 챔버(300)에 채워진 잉크에 압력을 발생시키게 된다. 압력을 받은 잉크는 커뮤니케이팅 홀들(200a, 200b, 200c)을 지나 노즐(100)을 통하여 토출된다. 이와 같은 구조의 라미네이티드 잉크젯 기록 헤드는 각 박판들을 따로 따로 제작하여 정렬 본딩(align-bonding)으로 제조하고 있다. 즉, 도 1b에 도시된 바와 같이, 각각의 박판을 가공하여 붙이는 매우 복잡한 공정을 선택하고 있다. 이는 공정에 많은 노하우가 필요하게 되며 경제성 및 그 수율이 매우 나쁘게 된다. 각각을 정렬하는 과정에서 정렬오차가 크게 된다. 특히, 도 1a에 도시된 "A" 영역과 같은 노즐 어셈블리 부분은 유체의 흐름에 대한 댐퍼 역할을 하는 부분과 노즐의 형성을 여러 크기의 박판의 적층으로 해결하고 있다. 이와 같이 유체의 유로 형성에서부터 유체 분사에 이르기 까지 직접 관계되는 노즐 어셈블리를 제작하는 기존의 방법은 각각의 구조물을 따로 따로 제작하여 적층하는 방법을 사용하므로 정렬오차로 인한 매끄럽지 못한 유체흐름 때문에 박판의 경계면은 유체의 흐름을 흐트려 뜨린다. 1A is a cross sectional view of a laminated ink jet recording head as described in EP 0 659 562 A2. As shown, the laminated inkjet recording head basically comprises a nozzle plate 101 on which a nozzle 100 is formed, three communicating hole forming boards 201a, 201b, and 201c, and a pressure generating chamber forming board 301. ) And the diaphragm 400 are sequentially laminated (laminated) structure. In the pressure generating chamber 300, the ink stored in the ink storage container 800 is temporarily stored in the storage chamber 600a after passing through the inlet 700, and then filled through the ink inlet 600c and the communication hole 600b. Ink provided from an external ink container flows into the ink storage container 800 through the filter 900. The piezoelectric vibrator 500 is attached to the diaphragm 400 to generate pressure in the ink filled in the pressure generating chamber 300 according to a voltage signal applied thereto. The pressurized ink is discharged through the nozzle 100 through the communicating holes 200a, 200b, and 200c. The laminated inkjet recording head of such a structure is manufactured by alignment bonding by separately producing each thin plate. That is, as shown in FIG. 1B, a very complicated process of processing and pasting each thin plate is selected. This requires a lot of know-how in the process and the economics and yields become very bad. In the process of sorting each other, the alignment error becomes large. In particular, the nozzle assembly portion, such as region "A" shown in FIG. 1A, solves the formation of the nozzle and the portion serving as a damper for the flow of fluid by lamination of thin plates of various sizes. As such, the conventional method of manufacturing nozzle assemblies that are directly related to the formation of fluid flow paths to fluid injection uses a method of fabricating and stacking each structure separately, so that the interface of the thin plate due to the unsmooth fluid flow due to alignment error. Distracts the flow of fluid.
이와 같은 노즐 어셈블리의 형성 방법은 도 2a 내지 도 2f 및 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 다양하다. 도 2a 내지 도 2f 및 도 3 내지 도 5에 도시된 예는 대표적인 것들로 이들은 모두 노즐부만 국한해서 형성시킬 수 있는 방법이고 댐퍼가 필요할 경우 적층하여야 한다. 물론 적층 방법도 큰 문제가 되며 경제성, 수율에 문제가 있다.Methods of forming such a nozzle assembly may vary as shown in FIGS. 2A to 2F and FIGS. 3 to 5. 2A to 2F and 3 to 5 are representative ones, all of which can be formed only by the nozzle part, and should be laminated when dampers are required. Of course, the lamination method also becomes a big problem, and there is a problem in economic efficiency and yield.
먼저, 도 2a 내지 도 2f는 US 3,921,916호에 기재된 노즐부 형성 방법으로, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 선택적 부분 도핑을 한 후, 도 2d에 도시된 바와 같이 서로 반대면에서 습식에칭을 실시하여 도핑된 실리콘 만이 습식 에칭에 선택비를 가져 도 2e 및 도 2f에 도시된 바와 같은 노즐부를 형성한다. 이는 도핑 깊이에 한계가 있는 단점과 공정이 다소 복잡한 문제점이 있다. First, FIGS. 2A to 2F are nozzle forming methods described in US Pat. No. 3,921,916, which are subjected to selective partial doping as shown in FIGS. 2A to 2C, and then wet etching on opposite sides as shown in Fig. 2D. Only doped silicon has a selectivity to wet etching to form nozzle portions as shown in FIGS. 2E and 2F. This is a disadvantage in that the depth of the doping and the process is a rather complicated problem.
도 3은 기계적 펀칭에 의한 노즐 형성 방법으로 면이 매끄럽지 못하고 수율이 떨어지며 적층하는 방법에만 사용 가능하다.3 is a method of forming a nozzle by mechanical punching, the surface is not smooth, the yield may be used only in the method of lamination.
도 4는 "Sensors and Actuators A 65 (1998) 221-227"에 기재된 노즐 형성 방법으로, 양면 정렬을 하여 시간 조절에 의한 습식에칭으로 노즐을 형성하는 방법을 나타낸다. 원래 습식에칭은 그 에칭 깊이와 패턴의 크기에 따라 노즐의 크기가 결정되므로 그 균일성에 문제가 있고 특히 시간 조절에 의한 공정 중단을 시도해야 하는 큰 단점이 있다.FIG. 4 shows a nozzle forming method described in “Sensors and Actuators A 65 (1998) 221-227”, in which a nozzle is formed by wet etching by time adjustment by performing double side alignment. In the original wet etching, the size of the nozzle is determined according to the etching depth and the size of the pattern, so there is a problem in uniformity, and in particular, there is a big disadvantage in that a process stop by time adjustment is required.
도 5는 "G. Siewell et al., H.P. journal, vol36, no.5, pp 33~37 (1985)"에 기재된 노즐 형성 방법으로, 도 a)에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴으로 노즐부를 제외한 나머지 부분에 도 b)에 도시된 바와 같이 니켈 전기도금을 하여 도 c)에 도시된 바와 같이 떼어냄으로써 노즐을 형성한다. 이는 노즐 크기가 일반적으로 수 마이크로 이상 불균일하게 형성되고 노즐부의 경사각 조절도 어려우며 불균일하다.FIG. 5 is a nozzle forming method described in "G. Siewell et al., HP journal, vol 36, no. 5, pp 33-37 (1985)", except for the nozzle part with a photoresist pattern as shown in FIG. The remaining portion is subjected to nickel electroplating as shown in FIG. B) to remove the nozzle as shown in FIG. C). This is because the nozzle size is generally formed unevenly more than several micrometers, and the inclination angle control of the nozzle part is difficult and uneven.
도 6a와 도 6b 및 도 7a 내지 도 7d는 각각 실리콘으로 댐퍼 구조와 노즐 구조를 만든 후 적층하여 노즐 어셈블리를 제작하는 방법을 나타낸다. 전자는 도 6a에 도시된 바와 같은 댐퍼(21)가 형성된 벌크 실리콘(20)과 노즐(31)이 형성된 노즐판(30)을 부착함으로써 도 6b에 도시된 바와 같은 노즐 어셈블리를 형성한다. 후자는 도 7a에 도시된 바와 같이 벌크 실리콘(40)에 댐퍼(41) 구조를 형성한 후에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 노즐판(50)을 구비하는 동시에 벌크 실리콘(40)에 형성된 댐퍼(41)의 측벽에 습식 마스크(42)를 증착하고, 도 7c에 도시된 바와 같이, 두 웨이퍼(40, 50)를 적층하며, 도 7d에 도시된 바와 같이, 댐퍼(41)에 대응하는 노즐판(50)에 습식 에칭을 실시하여 노즐(51)을 형성한다.6A, 6B, and 7A to 7D illustrate a method of fabricating a nozzle assembly by forming a damper structure and a nozzle structure and then stacking the silicon, respectively. The former forms the nozzle assembly as shown in FIG. 6B by attaching the bulk silicon 20 with the damper 21 as shown in FIG. 6A and the nozzle plate 30 with the nozzle 31 formed thereon. The latter forms the damper 41 structure in the bulk silicon 40 as shown in FIG. 7A, and then, as shown in FIG. 7B, the damper is provided in the bulk silicon 40 with the nozzle plate 50 at the same time. A wet mask 42 is deposited on the sidewalls of 41, and two wafers 40 and 50 are stacked, as shown in FIG. 7C, and a nozzle corresponding to damper 41, as shown in FIG. 7D. The nozzle 50 is formed by wet etching the plate 50.
상기 두 방법 다 얇은 노즐판(30, 50)의 웨이퍼를 사용해야 하므로 취급상 파손이 쉬운점 등의 커다란 문제가 있다. 도 6a와 도 6b의 경우 적층시 정렬은 필수이다. 도 7a 내지 도 7d의 방법에서는 정렬이 필요가 없으나 웨이퍼 두 장이 필요하고 웨이퍼 취급상의 문제는 여전히 남는다.Since both methods require the use of wafers of thin nozzle plates 30 and 50, there is a big problem such as easy handling damage. 6A and 6B, alignment is essential when stacked. In the method of FIGS. 7A-7D, no alignment is required but two wafers are required and wafer handling problems still remain.
도 8a 내지 도 8c는 실리콘 결정면을 이용한 습식 에칭법을 설명하는 도면이다. 여기서, 도 8a는 실리콘의 결정면을 나타내는 도면이다. TMAH 등 여러 습식 에칭액에 있어서 실리콘의 (111)면은 그 에칭 속도가 매우 느리다. 이로 말미암아 결정면에 따른 에칭 속도 때문에 (100)실리콘 웨이퍼의 에칭 양상은 도 8b 나 도 8c에 도시된 바와 같이 나타난다.8A to 8C are views for explaining a wet etching method using a silicon crystal surface. 8A is a diagram showing a crystal plane of silicon. In many wet etching solutions such as TMAH, the (111) plane of silicon has a very low etching rate. This results in an etching aspect of the (100) silicon wafer due to the etch rate along the crystal plane as shown in FIG. 8B or 8C.
도 9는 건식에칭 공정을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 플라즈마를 이용한 건식에칭을 행하는 경우 벽멱 코팅막 c의 두께가 코팅막 a의 두께 보다 두껍기 때문에 훨씬 더 건식에칭 공정으로 에칭하기 어렵다.It is a figure explaining a dry etching process. As shown in the figure, when dry etching using plasma is performed, the thickness of the wall coating film c is thicker than that of the coating film a, which makes it hard to etch by the dry etching process.
그리고 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)란 실리콘을 부분적으로 산화시키는 방법을 일컫는 말이다. 실리콘 열 산화막은 실리콘 원자가 고온에서 산소 원자를 만나 반응하여 실리콘 산화물인 SiO2를 생성하면서 산화막이 성장하여 형성된다. 따라서 아무리 고온에서라도 표면에 실리콘 원자가 노출되지 않으면 이 열산화막은 성장하지 않으므로 이런 원리로 부분적 산화를 할 수 있으며 이를 LOCOS라 한다. 일반적인 방법으로 질화막과 같은 열역학적으로 안정한 막을 실리콘에 입히고 이들이 실리콘 원자의 노출을 막고 또는 산소의 침입을 막아줌으로써 실리콘을 노출된 부분만 산화시킬 수 있다. 질화막을 패터닝하여 질화막과 부분 산화막의 연속을 만들 수 있다.And LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) refers to a method of partially oxidizing silicon. The silicon thermal oxide film is formed by growing an oxide film while silicon atoms meet oxygen atoms at a high temperature to produce silicon oxide SiO 2 . Therefore, even if the silicon atoms are not exposed to the surface even at high temperatures, the thermal oxide film does not grow, so partial oxidation can be performed on this principle, which is called LOCOS. In a general manner, a thermodynamically stable film such as a nitride film can be coated on silicon and they can oxidize only the exposed portions of silicon by preventing the exposure of silicon atoms or preventing the ingress of oxygen. The nitride film can be patterned to create a continuation of the nitride film and the partial oxide film.
한편, 노즐 어셈블리를 구성하는 배출구 댐퍼(outlet damper)와 노즐은 유체의 흐름을 지정해주고 분사할 수 있도록 유체를 안내하는 역할을 한다. 노즐은 주로 도포 헤드의 분사구 및 밸브의 구조체 등으로 사용되고 배출구 댐퍼는 유체의 흐름의 방향성을 향상시킬 뿐 만 아니라 외압에 대한 댐퍼 역할을 해줌으로써 유체 분사의 보조 장치 역할을 하는 것이다.On the other hand, the outlet damper and the nozzle constituting the nozzle assembly directs the fluid to direct and inject the fluid flow. The nozzle is mainly used as the injection head and the valve structure of the application head, and the outlet damper not only improves the direction of the flow of the fluid, but also serves as an auxiliary device for the fluid injection by acting as a damper against external pressure.
이러한 노즐과 배출구 댐퍼를 구비한 노즐 어셈블리를 실리콘을 이용한 MEMS 공정의 차원에서 다단층(수십 미크론 이상의 단차) 구조물로 형성할때 일반적으로 생각될 수 있는 방법이 도 10a 내지 도 10k에 도시되어 있다. 이들의 방법은 근본적으로 포토 리소그라피에 근본적인 문제가 있어서 SU-8(IBM; US 4,882,245 참조)과 같은 특수 PR을 사용하는 방법이 시도되고 있으나 여러 면에서 그 실용화에 따른 문제점 해결을 위한 마스킹(masking) 방법이 될 수는 없다. 즉, 도 10a 및 도 10b는 각각 다단 구조의 어셈블리를 보여주는 기판의 단면도이고, 도 10c 및 도 10d는 각각 상기 다단 구조를 형성하기 위한 공정을 나타내는 도면이며, 도 10e 내지 도 10k는 각각 도 10a의 구조를 얻기 위해 다층 마스크를 이용하는 제작공정을 공정 단계별로 나타낸 단면도이다. 즉, 도 10a에 도시된 바와 같은 구조를 얻기 위해서는 먼저, 도 10e에 도시된 바와 같은 벌크 실리콘(80)을 구비하고, 그 위에 도 10f에 도시된 바와 같은 제1마스크(60)를 형성한 다음, 도 10g에 도시된 바와 같이 전면적으로 제2마스크막(70)을 도포한다. 다음에, 도 10h에 도시된 바와 같이 댐퍼 형성을 위한 개구부(71a)를 형성하고, 이 개구부(71a)를 통하여 도 10i에 도시된 바와 같이 댐퍼(75)를 형성한다. 다음에, 도 10j에 도시된 바와 같이, 벌크 실리콘(80) 상면에 존재하는 제2마스크막을 제거하고 벌크 실리콘(80)의 상면부를 에칭하여 도 10k에 도시된 바와 같은 구조를 얻는다. 이러한 구조의 노즐 어셈블리를 제작하기 위해서는 포토레지스트 도포에 치명적인 문제가 있다. 도 10c에 도시된 바와 같은 경우 포토레지스트 회전도포시 원심력에 의한 포토레지스트 도포의 불균일함이 있다. 도 10d에 도시된 바와 같은 경우, 포토레지스트 도포시 기포(5)가 형성되어 이들이 베이킹시 터져 코팅막이 깨지는 경우가 발생된다. 이런 경우, 도 10e 내지 도 10k에 도시된 바와 같이, 일반적인 다층 마스크를 쓰면 해결이 가능하지만 도 10b에 도시된 바와 같은 원추형의 구조를 얻기 위해선 다층 마스크를 이용할 수 없다. 이는 도 10b의 3rd pattern과 1st pattern/2nd pattern의 구조 에칭시 그 양상이 다르기 때문인데 3rd pattern을 얻을 때 1st pattern와 2nd pattern이 3rd pattern 에칭시 에칭 보호되어야 하고, 1st pattern / 2nd pattern에칭시 3rd pattern이 에칭 보호되어야 하는 이유에서다. 이런 점에서 도 10e 내지 도 10k의 다층 마스크를 이용한 공정으로는 이를 해결할 수 없다.A generally conceived method for forming a nozzle assembly with such a nozzle and outlet damper into a multi-layered structure (steps of tens of microns or more) in terms of a MEMS process using silicon is shown in FIGS. 10A-10K. Their method is fundamentally a problem in photolithography, so a method of using a special PR such as SU-8 (IBM; see US 4,882,245) has been attempted, but in many ways masking for solving the problem according to its practical use There can be no way. That is, FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of a substrate showing an assembly of a multi-stage structure, respectively, and FIGS. 10C and 10D are views showing a process for forming the multi-stage structure, respectively, and FIGS. 10E to 10K are each FIGS. It is a cross-sectional view showing the manufacturing process using a multilayer mask to obtain a structure step by step. That is, in order to obtain a structure as shown in FIG. 10A, first, a bulk silicon 80 as shown in FIG. 10E is provided, and a first mask 60 as shown in FIG. 10F is formed thereon. As shown in FIG. 10G, the second mask layer 70 is coated on the entire surface. Next, as shown in FIG. 10H, an opening 71a for damper formation is formed, and through this opening 71a, a damper 75 is formed as shown in FIG. 10I. Next, as shown in FIG. 10J, the second mask film existing on the upper surface of the bulk silicon 80 is removed and the upper surface portion of the bulk silicon 80 is etched to obtain a structure as shown in FIG. 10K. In order to fabricate the nozzle assembly having such a structure, there is a fatal problem in applying the photoresist. As shown in FIG. 10C, there is a nonuniformity of photoresist application due to centrifugal force during photoresist rotational application. As shown in FIG. 10D, bubbles 5 are formed when the photoresist is applied so that they burst when baking and the coating film is broken. In this case, as illustrated in FIGS. 10E to 10K, a general multilayer mask can be used to solve the problem. However, in order to obtain a conical structure as illustrated in FIG. 10B, the multilayer mask cannot be used. This is because the pattern of the 3rd pattern and the 1st pattern / 2nd pattern of Figure 10b is different when etching the structure, when obtaining the 3rd pattern 1st pattern and 2nd pattern should be etch protected when etching the 3rd pattern, 3rd when etching 1st pattern / 2nd pattern This is why the pattern must be etch protected. In this regard, the process using the multilayer mask of FIGS. 10E to 10K cannot solve this problem.
또한, 노즐과 같은 유체 분사구에는 친수성(hydro-philic)/소수성(hydro-phobic)의 표면처리가 필요하지만 기존의 방법(대부분 기계적인 방법)으로는 이 경계를 조절하기가 거의 불가능한 문제점이 있었다.In addition, a fluid jet such as a nozzle requires hydrophilic (hydro-phobic) or hydrophobic (hydro-phobic) surface treatment, but there is a problem that it is almost impossible to control this boundary by conventional methods (mostly mechanical methods).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 기존의 고비용 저효율의 복잡한 구조 및 제조 방법을 개선하기 위하여 단지 단결정 실리콘 웨이퍼 한장에 실리콘 반도체 공정과 MEMS 공정을 이용하여 모든 구조를 집적시킨 (100)면 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 마이크로 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and in order to improve the existing high cost, low efficiency, complicated structure and manufacturing method, only one single crystal silicon wafer was fabricated using a silicon semiconductor process and a MEMS process (100). It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nozzle assembly for an integrated micro inkjet head using a single-sided single crystal silicon wafer.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 마이크로 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 일괄 자동 정렬 공정에 의한 제작 방법은, 잉크통으로부터 유입되는 잉크를 각 헤드에 배분하여 공급하는 잉크 유로; 상기 유로에서 상기 각 헤드로 일정한 양의 잉크가 주입되도록 하는 채널; 상기 채널로부터 인입되는 상기 일정한 양의 잉크를 일시적으로 저장하고 이 저장된 잉크가 분출될 수 있도록 압력을 가하는 상기 각 헤드의 압력 챔버; 상기 압력 챔버로부터 잉크를 제공받아 노즐에 제공하는 상기 각 헤드의 댐퍼; 상기 댐퍼에 저장된 잉크를 토출하는 배출구와 상기 댐퍼에 저장된 잉크가 상기 댐퍼 내의 압력 보다 고압으로 상기 배출구로 인입되도록 유도하는 원추부로 이루어진 상기 각 헤드의 노즐들;을 구비한 잉크젯 프린트 헤드용 노즐 어셈블리의 제작 방법에 있어서, (a) (100)면 단결정 실리콘 기판에 제1마스크를 증착하는 단계; (b) 상기 제1마스크를 국소적으로 에칭하여 상기 채널 형성용 개구부를 형성한 후, 제2마스크를 증착하는 단계; (c) 상기 제1마스크 및 제2마스크를 에칭하여 상기 압력챔버 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계; (d) 상기 압력챔버 형성용 개구부에 의해 노출된 기판 상부 및 제2마스크 상의 전체에 제3마스크를 증착하는 단계; (e) 포토레지스트 마스크를 이용하여 상기 제3마스크를 선택적으로 에칭하여 상기 댐퍼 및 유로 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계; (f) 상기 댐퍼 형성을 위한 개구부를 통하여 상기 실리콘 기판에 댐퍼 형성을 위한 1차 딥 에칭을 실시하는 단계; (g) 상기 (e) 단계에서 형성된 유로 형성을 위하여 포토레지스트 마스크를 그대로 이용하여 상기 제3마스크의 개구부에 의해 노출된 상기 제2마스크 및 제1마스크를 에칭하여 유로 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계; (h) 상기 댐퍼 및 유로 형성을 위한 개구부를 통하여 상기 실리콘 기판에 2차 딥에칭을 실시하여 댐퍼를 완성하는 동시에 유로의 수직하방 에칭부를 형성하는 단계; (i) 상기 댐퍼 및 상기 유로의 수직하방에칭부의 측벽에 측벽 보호용 제4마스크를 증착하는 단계; (j) 상기 측벽 보호용 제4마스크에서 상기 댐퍼 및 유로 수직하방에칭부의 바닥면을 에칭하여 상기 노즐 원추부 및 상기 유로의 경사부 에칭용 개구부를 형성하는 단계; (k) 상기 노즐의 원추부 및 유로 경사부 형성용 개구부를 통하여 TMAH(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide)로서 결정면에 따른 이방성 습식 에칭을 행하여 상기 노즐의 원추부 및 상기 유로의 경사부를 형성하는 단계; (l) 상기 노즐의 원추부 및 상기 유로의 경사부의 실리콘 노출면을 국소적으로 열산화시켜 제5마스크를 형성하는 단계; (m) 상기 제3마스크(질화막)를 국소적으로 제거하여 압력챔버 형성용 개구부를 형성하는 단계; (n) 상기 압력챔버 형성을 위한 제3차 실리콘 딥 에칭을 실시하는 단계; (o) 상기 제2마스크를 선택적으로 제거하여 상기 채널 형성을 위한 개구부를 형성하는 단계; (p) 상기 채널 형성용 개구부를 이용하여 상기 실리콘 기판에 제4차 딥에칭을 실시하는 단계; (q) 상기 실리콘 기판 배면에 형성된 상기 제2마스크 및 제1마스크를 포토레지스트 마스크를 이용한 건식에칭법으로 선택적으로 에칭하여 노즐 배출구를 형성을 위한 양면 정렬 개구부를 형성하는 단계; (r) 상기 양면정렬 개구부를 이용한 실리콘 기판 에칭 공정으로 상기 노즐 배출구를 형성한 다음 상기 포토레지스트 마스크를 제거하고 상기 노즐 배출구에 소수성 코팅막을 증착하는 단계; 및 (s) 상기 노즐 원추부의 상기 제5마스크의 막을 에칭하여 잉크 흐름이 이루어지도록 배출구를 관통시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the manufacturing method by the batch automatic alignment process of the nozzle assembly for an integrated micro inkjet head using a single crystal silicon wafer according to the present invention, the ink flow path for distributing and supplying the ink flowing from the ink container to each head ; A channel through which a predetermined amount of ink is injected into each of the heads in the flow path; A pressure chamber of each head for temporarily storing the constant amount of ink drawn in from the channel and pressurizing the stored ink to be ejected; Dampers of the respective heads receiving ink from the pressure chamber and providing the ink to the nozzles; Nozzles of each of the heads each including a discharge port for discharging the ink stored in the damper and conical portions for inducing the ink stored in the damper to enter the discharge port at a higher pressure than the pressure in the damper. A manufacturing method, comprising: (a) depositing a first mask on a (100) plane single crystal silicon substrate; (b) locally etching the first mask to form the opening for channel formation, and then depositing a second mask; (c) etching the first mask and the second mask to form an opening for forming the pressure chamber; (d) depositing a third mask over the substrate and over the second mask exposed by the pressure chamber forming opening; (e) selectively etching the third mask using a photoresist mask to form openings for forming the damper and the flow path; (f) performing a first deep etching process for forming a damper on the silicon substrate through the opening for forming the damper; (g) etching the second mask and the first mask exposed by the opening of the third mask using the photoresist mask as it is to form the flow path formed in step (e) to form an opening for forming the flow path step; (h) performing a second deep etching on the silicon substrate through the damper and the opening for forming the flow path to complete the damper and simultaneously form a vertically downward etching portion of the flow path; (i) depositing a fourth sidewall protection mask on sidewalls of the damper and the vertical downward etching portion of the flow path; (j) etching the bottom surface of the damper and the channel vertical downward etching portion in the fourth mask for protecting the sidewall to form an opening for etching the nozzle cone portion and the inclined portion of the passage; (k) performing anisotropic wet etching along the crystal plane as TMAH (Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide) through openings for forming the cone portion and the channel slope portion of the nozzle to form the cone portion of the nozzle and the slope portion of the flow path; (l) locally thermally oxidizing a silicon exposed surface of the cone portion of the nozzle and the inclined portion of the flow path to form a fifth mask; (m) locally removing the third mask (nitride film) to form an opening for forming a pressure chamber; (n) performing a third silicon dip etch to form the pressure chamber; (o) selectively removing the second mask to form an opening for forming the channel; (p) performing fourth deep etching on the silicon substrate using the channel forming opening; (q) selectively etching the second mask and the first mask formed on the back surface of the silicon substrate by dry etching using a photoresist mask to form a double-sided alignment opening for forming a nozzle outlet; (r) forming the nozzle outlet through a silicon substrate etching process using the double-sided alignment opening, and then removing the photoresist mask and depositing a hydrophobic coating film on the nozzle outlet; And (s) etching the film of the fifth mask of the nozzle cone to penetrate the outlet to allow ink flow.
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본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 제1마스크로 열 산화막, 산화막, 질화막 중 어느 한 막을 사용하되, 상기 제1마스크로 금속막을 사용하고, 상기 제2,3,4, 5 마스크로 상기 금속막 보다 저온 증착이 가능한 TEOS, PECVD 질화막, 상기 금속막과 다른 금속 중 어느 한 물질로 증착하는 것이 바람직하고, 상기 (b) 단계에서 상기 제2마스크는 TEOS, 산화막, 질화막, 금속 중 어느 한 재료로 증착하며, 상기 (c) 단계에서 상기 압력챔버 형성용 개구부는 2800 * 260 μm 크기로 형성하고, 상기 압력 챔버 형성용 개구부의 모서리에는 100 μm의 곡률반경을 주며, 상기 (d) 단계에서 상기 제3마스크로 질화막, 산화막, 금속 중 어느 한 재료를 사용하며, 상기 (e) 단계에서 상기 제3마스크는 질화막으로 형성되어 건식에칭법으로 상기 개구부가 형성되며, 상기 (f) 단계에서 상기 댐퍼 형성을 위한 1차 딥 에칭은 ICP RIE를 이용하여 150 μm 정도 깊이로 에칭하며, 상기 (g) 단계에서 상기 유로 형성을 위한 개구부는 건식 에칭법을 이용하여 형성되며, 상기 (h) 단계에서 상기 2차 딥에칭의 에칭 깊이는 150 μm로 하고, 이 경우 상기 댐퍼의 에칭 깊이는 300 μm로 형하며, 상기 (i) 단계에서 상기 측벽 보호용 제4마스크로는 열산화막이 증착되거나, 혹은 다른 산화막 혹은 질화막이 사용되며, 상기 (i) 단계에서 상기 제3마스크로서 증착된 막의 성질 때문에 상기 측벽 보호용 제4마스크로서 열산화막을 국소적으로 형성할 수 없는 경우에는 상기 (i) 단계 대신에, (i') 단계로서, 전면적으로 측벽 보호용 제4마스크를 증착하는 단계;를 포함하되, 상기 (j) 단계에서 상기 노즐 원추부 및 상기 유로의 경사부 에칭용 개구부는 상기 (i') 단계에서 증착된 상기 제4마스크는 상기 제3마스크와 동일 물질로 형성되어 상기 제3마스크 및 상기 제4마스크 막간의 두께 차이에 따른 선택적 에칭으로 형성되며는 것이 바람직하며, 혹은 상기 (j) 단계에서 상기 노즐 원추부 및 상기 유로의 경사부 에칭용 개구부는 상기 제3마스크가 질화막으로 형성되고 상기 측벽 보호용 제4마스크가 열산화막으로 형성되어 상기 열산화막과 질화막의 이종 물질간 선택비에 따른 선택적 에칭으로 형성되며, 상기 (m) 단계에서 상기 제3마스크는 질화막으로 형성되어 상기 압력챔버 형성용 개구부는 에칭액으로 인산을 사용하여 상기 실리콘 기판 전면의 질화막을 습식에칭법으로 제거하며, 상기 (n) 단계에서 상기 압력챔버 형성을 위한 제3차 실리콘 딥 에칭은 ICP RIE를 이용하여 85㎛ 정도의 깊이로 실시하며, 상기 (o) 단계에서 상기 제2마스크는 TEOS로 형성되고, 상기 채널 형성용 개구부는 상기 제2마스크의 깊이 까지만 제거하며, 상기 (p) 단계에서 상기 제4차 딥 에칭은 ICP RIE를 이용하여 15㎛의 깊이로 에칭하며, 상기 (q) 단계에서 상기 노즐 배출구를 형성용 양면 정렬 개구부는 직경 24㎛로 형성되거나, 혹은 상기 (q) 단계 대신에 (q') 단계로서 상기 실리콘 기판 상면 및 측면의 모든 마스크를 벗겨 내고 그 노출면에 친수성 코팅막을 형성한 후, 상기 실리콘 기판 배면에 형성된 제2마스크 및 제1마스크를 국소적으로 에칭하여 노즐 배출구를 형성하기 위한 양면 정렬 개구부를 포토레지스트 마스크를 이용한 건식에칭법으로 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (r) 단계에서 상기 소수성 코팅막으로 테프론(Teflon) 계열의 막 혹은 C4F8/SF6/Ar 혼합 가스의 PECVD에 의한 유기막을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 배출구의 길이는 상기 (k) 단계에서 상기 댐퍼 원추부의 습식에칭 깊이에 의해 결정된다.In the present invention, in step (a), any one of a thermal oxide film, an oxide film, and a nitride film is used as the first mask, but a metal film is used as the first mask, and the second, third, fourth, and fifth masks are used. It is preferable to deposit with any one of TEOS, PECVD nitride film, the metal film and another metal which can be deposited at a lower temperature than the metal film, and in step (b), the second mask may be any one of TEOS, oxide film, nitride film and metal. Deposition of a material, and in the step (c) the opening for forming the pressure chamber is formed in the size of 2800 * 260 μm, giving a radius of curvature of 100 μm to the corner of the opening for forming the pressure chamber, the step (d) In the third mask using any one of a nitride film, an oxide film, or a metal, in the step (e) the third mask is formed of a nitride film to form the opening by dry etching method, in the step (f) Prize The primary deep etching for damper formation is etched to a depth of about 150 μm using ICP RIE, the opening for forming the flow path in the step (g) is formed using a dry etching method, in the step (h) The etching depth of the second deep etching is 150 μm, in which case the etching depth of the damper is 300 μm, and in step (i), a thermal oxide film is deposited as the fourth mask for protecting the sidewalls, or other If an oxide film or a nitride film is used and a thermal oxide film cannot be locally formed as the sidewall protection fourth mask due to the property of the film deposited as the third mask in step (i), instead of step (i), and (i ') depositing a fourth mask for protecting the sidewalls over the entire surface thereof, wherein the opening of the nozzle cone and the inclined portion of the flow path in the (i) step is performed in (i'). deposition Preferably, the fourth mask is formed of the same material as the third mask, and is formed by selective etching according to a difference in thickness between the third mask and the fourth mask film, or in step (j), the nozzle circle The opening portion for etching the weight portion and the inclined portion of the flow path may be formed by selective etching according to the selectivity ratio between the thermal oxide film and the nitride material by forming the third mask as a nitride film and the fourth mask for protecting the side wall as a thermal oxide film. And in step (m), the third mask is formed of a nitride film, and the opening for forming the pressure chamber is removed by wet etching using a phosphoric acid as an etching solution. The third silicon dip etching for forming the pressure chamber is performed to a depth of about 85 μm using ICP RIE, and in step (o) The second mask is formed of TEOS, and the opening for forming the channel is removed only up to the depth of the second mask, and in step (p), the fourth deep etching is etched to a depth of 15 μm using an ICP RIE. In step (q), the double-sided alignment opening for forming the nozzle outlet is formed to have a diameter of 24 μm, or as a step (q ') instead of step (q), all masks on the upper and side surfaces of the silicon substrate are removed and the After forming a hydrophilic coating film on the exposed surface, by forming a double-sided alignment opening for forming a nozzle outlet by locally etching the second mask and the first mask formed on the back surface of the silicon substrate by a dry etching method using a photoresist mask It includes; and, in the step (r) using a Teflon-based film or an organic film by PECVD of C4F8 / SF6 / Ar mixed gas as the hydrophobic coating film Desirable, and the length of said discharge opening is determined by the wet-etching depth of the damper in the cone (k) step.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 프린트 헤드용 노즐 어셈블리 및 일괄 자동 정렬 공정에 의한 그 제작 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, referring to the drawings, a nozzle assembly for an integrated inkjet printhead using a single crystal silicon wafer according to the present invention and a manufacturing method thereof by a batch automatic alignment process will be described in detail.
결정면을 이용한 습식 에칭법과 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 이용하면, 실제로 도 11에 도시된 바와 같은 잉크젯 헤드용 일체형 노즐 어셈블리를 제작할 수 있다.Using a wet etching method using a crystal surface and a LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) process, an integrated nozzle assembly for an inkjet head can be manufactured as shown in FIG.
도 11 및 도 12는 각각 실시예로서 제작된 잉크젯 헤드용 일체형 노즐 어셈블리의 단면도 및 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드용 일체형 노즐 어셈블리는 실리콘 기판(400)에 노즐(401), 잉크 댐퍼(402), 압력챔버(403), 채널(404) 및 유로(405)를 구비한다. 여기서, 유로(405)는 잉크통(미도시)으로부터 각 노즐에 잉크가 공급될 수 있도록 하는 주요 통로(manifold)이고, 이 유로(405)에서 각 채널(404) 통하여 각 잉크젯 헤드 노즐로 잉크가 배분된다. 채널(404)을 통과한 잉크는 압력챔버(403) 및 댐퍼(402)에 저장되었다가 압력 챔버(403) 상면에 부착되는 진동판(미도시)의 압력에 의해 노즐(401)을 통하여 분출된다. 11 and 12 are cross-sectional and perspective views, respectively, of an integrated nozzle assembly for an ink jet head manufactured as an example. As shown, the integrated nozzle assembly for an inkjet head according to the present invention includes a nozzle 401, an ink damper 402, a pressure chamber 403, a channel 404, and a flow path 405 on a silicon substrate 400. do. Here, the flow path 405 is a main manifold for supplying ink to each nozzle from an ink container (not shown), and ink is distributed to each ink jet head nozzle through each channel 404 in this flow path 405. do. Ink passing through the channel 404 is stored in the pressure chamber 403 and the damper 402 and is ejected through the nozzle 401 by the pressure of a diaphragm (not shown) attached to the upper surface of the pressure chamber 403.
이러한 구조의 잉크젯 헤드용 일체형 노즐 어셈블리에 있어서, 노즐(401)의 원추부, 잉크 댐퍼(402), 압력 챔버(403) 등은 친수성(hydrophilic) 표면 처리가 되어야 잉크 재충전(refill)이 될 수 있고, 노즐의 배출구의 내벽면은 소수성(hydrophobic) 처리가 되어야 잉크 토출 시 잉크 드롭(drop)을 끊어 줄 수 있다. 실리콘의 경우 자체는 소수성 표면을 가지나 대기 중 장시간 방치 시 자연 산화막이 형성되면서 친수성 표면을 갖게 된다. 따라서, 친수성 표면 처리 보다는 소수성 표면 처리가 잉크젯 헤드 형성에 주요 공정이 된다. 도 13a 내지 도 13s를 참조하면서 그 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다.In the integrated nozzle assembly for the inkjet head of this structure, the cone of the nozzle 401, the ink damper 402, the pressure chamber 403, etc. must be hydrophilic surface treatment to be refilled ink The inner wall surface of the discharge port of the nozzle must be hydrophobic to break the ink drop during ink ejection. Silicon itself has a hydrophobic surface, but when left in air for a long time, a natural oxide film is formed to have a hydrophilic surface. Therefore, hydrophobic surface treatment rather than hydrophilic surface treatment is a major process for forming an inkjet head. Looking at the manufacturing process with reference to Figure 13a to Figure 13s as follows.
먼저, 도 13a에 도시된 바와 같이, (100)면 단결정 실리콘 기판(400)에 제1마스크(1st mask)(501)를 증착한다. 이 제1마스크(501)는 습식 또는 건식 실리콘 에칭 시 마스크 역할을 할 수 있는 재료를 사용한다. 예를들면, 열 산화막, 산화막, 질화막, 금속 등의 재료를 사용한다. 특히, 금속 막을 입히면 공정 완료 후 공융접합(Eutectic Bonding)으로 직접 넘어갈 수 있다. 이 경우, 금속에 영향을 주는 고온 공정이 동반되지 않도록 한다. 열 산화막과 같은 고온 박막 대신 TEOS 및 PECVD 질화막과 같은 저온 증착이 가능한 재료를 이용하거나 다른 금속류를 증착 시킨다.First, as shown in FIG. 13A, a first mask 501 is deposited on a (100) plane single crystal silicon substrate 400. The first mask 501 uses a material that can serve as a mask in wet or dry silicon etching. For example, materials such as thermal oxide film, oxide film, nitride film, and metal are used. In particular, the coating of a metal film allows direct transfer to eutectic bonding after completion of the process. In this case, the high temperature process affecting the metal is not accompanied. Instead of a high temperature film such as a thermal oxide film, a material capable of low temperature deposition such as TEOS and PECVD nitride film or other metals are deposited.
다음에, 도 13b에 도시된 바와 같이, 채널(channel) 형성용 패턴을 형성하기 위하여 제1마스크(501)를 에칭하여 개구부(511)를 형성한 후, 제2마스크(2nd mask)(502)를 증착한다. 이 제2마스크(502)도 습식 또는 건식 실리콘 에칭 시 마스크 역할을 할 수 있는 재료를 사용한다. 예를들면, TEOS, 산화막, 질화막, 금속 등을 사용한다.Next, as shown in FIG. 13B, the first mask 501 is etched to form the openings 511 to form a pattern for forming a channel, and then a second mask 502 is formed. Deposit. This second mask 502 also uses a material that can act as a mask during wet or dry silicon etching. For example, TEOS, oxide film, nitride film, metal and the like are used.
다음에, 도 13c에 도시된 바와 같이, 압력챔버(Pressure Chamber) 형성을 위하여 제1마스크(501) 및 제2마스크(502)를 에칭하여 개구부(512)를 형성한다. 개구부(512)의 크기는 2800 * 260㎛로 한다. 그리고, 모서리에는 100㎛의 곡률반경을 주어 유체의 와류를 방지시켜 준다.Next, as shown in FIG. 13C, the opening 512 is formed by etching the first mask 501 and the second mask 502 to form a pressure chamber. The opening 512 has a size of 2800 * 260 μm. In addition, a radius of curvature of 100 μm is provided at the corners to prevent vortex of the fluid.
다음에, 도 13d에 도시된 바와 같이, 제3마스크(3rd mask)(503)를 증착한다. 이 제3마스크(503) 형성에도 습식 또는 건식 실리콘 에칭 시 마스크 역할을 할 수 있는 질화막, 산화막, 금속 등의 재료를 사용한다.Next, as shown in FIG. 13D, a third mask 503 is deposited. In forming the third mask 503, a material such as a nitride film, an oxide film, or a metal that can serve as a mask during wet or dry silicon etching is used.
다음에, 도 13e에 도시된 바와 같이, 포도레지스트(PR; Photoresist) 마스크(521)를 이용하여 잉크 댐퍼(Outlet-Damper) 및 유로(Manifold)(주 유로)를 형성하기 위하여 제3마스크(503)를 에칭하여 개구부(513, 513')를 형성한다. 이 때, 도 13k의 공정에서 웨이퍼의 각도에 따른 이방성 에칭이 이루어지므로 이에 대한 고려가 있어야 한다. 예를들면, 댐퍼 형성을 위한 개구부(513)는 원형 모양으로 에칭되며, 유로 형성을 위한 개구부(513')는 각을 잡을 필요가 없고 유체 해석도 용이하며, 질화막 에칭은 건식 식각법을 이용한다.Next, as shown in FIG. 13E, a third mask 503 is formed to form an ink damper and an manifold (main flow path) using a photoresist mask 521. ) Is etched to form openings 513 and 513 '. In this case, anisotropic etching is performed according to the angle of the wafer in the process of FIG. 13K, and this should be considered. For example, the openings 513 for damper formation are etched in a circular shape, and the openings 513 'for channel formation do not have to be angled, and fluid analysis is easy, and nitride film etching uses a dry etching method.
다음에, 도 13f에 도시된 바와 같이, 댐퍼(Outlet-Damper)(402) 형성을 위한 실리콘 딥 에칭(deep etching )을 실시한다. 도 11에서 c-d로 표시되는 깊이로 에칭한다. 실제로, ICP RIE를 이용하여 150㎛ 정도 깊이로 에칭한다.Next, as shown in FIG. 13F, silicon deep etching for forming a damper (Outlet-Damper) 402 is performed. It is etched to the depth indicated by c-d in FIG. In practice, it is etched to a depth of about 150 μm using an ICP RIE.
다음에, 도 13g에 도시된 바와 같이, 유로(Manifold)(주 유로) 형성을 위하여 포토레지스트 마스크(521)을 그대로 이용하여 제2마스크(502) 및 제1마스크(501)을 에칭하여 개구부(513")를 형성하여 유로 형성을 위한 실리콘 기판 영역을 노출시킨다. 이 유로는 잉크 배분용 주 유로로서 이용되며 크기는 그 spec.에서 클수록 좋다. 개구부(513")는 건식 에칭법을 이용하여 형성된다.Next, as shown in FIG. 13G, the second mask 502 and the first mask 501 are etched using the photoresist mask 521 as it is to form a manifold (main flow path). 513 ") to expose the silicon substrate region for the formation of the flow path. This flow path is used as the main flow path for ink distribution, and the larger size is better in the spec. The opening 513" is formed using a dry etching method. do.
다음에, 도 13h에 도시된 바와 같이, 유로(Manifold)(405) 형성을 위하여 실리콘 기판에 딥에칭(deep etching )을 실시한다. 에칭 깊이(도 11의 d)는 약 150㎛로 한다. 댐퍼(Outlet-Damper)(402)의 에칭 깊이(도 11의 c)는 300㎛로 형성된다. 이 때, 에칭속도가 문제가 되는 경우 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같은 에칭 정지층이 있는 웨이퍼(SOI or Bonded wafer)를 이용하면 동일한 효과를 얻을 수 있다. 하지만 추가 비용이 많이 들어가는 단점이 있다. 한장의 웨이퍼로 댐퍼 구조를 형성할 경우는 에칭 균일성이 좋아야 노즐의 형성에도 균일성을 갖게 되므로 ICP RIE를 이용하여 에칭 균일성을 얻음으로써 한장의 웨이퍼로 위의 구조를 구현하기 쉽게된다.Next, as shown in FIG. 13H, a deep etching is performed on the silicon substrate to form a manifold 405. Etching depth (d of FIG. 11) shall be about 150 micrometers. An etching depth (c in FIG. 11) of the damper (Outlet-Damper) 402 is formed to be 300 μm. In this case, when the etching rate is a problem, the same effect may be obtained by using a wafer (SOI or Bonded wafer) having an etch stop layer as shown in FIGS. 14A and 14B. However, there is a disadvantage in that the additional cost is high. In the case of forming a damper structure with a single wafer, the etching uniformity must be good to have uniformity in forming the nozzle, so that the above structure can be easily realized with a single wafer by obtaining etching uniformity using ICP RIE.
다음에, 도 13i에 도시된 바와 같이, 측벽 보호용 제4마스크(504)를 증착한다. 이 측벽 보호용 제4마스크(504)는 도 13k에 도시된 바와 같은 노즐부 습식에칭 공정시 습식 에칭에 대해 마스크 역할을 한다. 이 측벽 보호용 제4마스크로는 열산화막이 증착되거나, 기타 산화막, 질화막 등이 사용된다. 제3마스크(503)로서 증착된 막의 성질 때문에 측벽 보호용 제4마스크(504)로서 열산화막을 국소적으로 형성할 수 없는 경우에는, 도 13ia에 도시된 바와 같이, 전면적으로 측벽 보호용 제4마스크(504')를 증착한다. 즉, 이 경우는 제3마스크(503)을 질화막으로 증착하고 측벽 보호용 제4마스크(504)로서 열 산화막을 국소적으로 형성하는 LOCOS 현상이 발생되지 않는 경우에는 전면적으로 산화막이나 질화막을 측벽 보호막으로 증착함을 의미한다. 예를들면, 제3마스크(503)로 질화막을 입히고 이에 대해 측벽 보호용 마스크(504')로서 열 산화막이 아닌 다른 산화막이나 질화막을 증착하는 경우이다.Next, as shown in FIG. 13I, a fourth mask 504 for protecting sidewalls is deposited. The sidewall protection fourth mask 504 serves as a mask for wet etching in the nozzle portion wet etching process as shown in FIG. 13K. As the fourth mask for protecting the sidewalls, a thermal oxide film is deposited, or other oxide film, nitride film or the like is used. When the thermal oxide film cannot be locally formed as the fourth mask 504 for sidewall protection due to the property of the film deposited as the third mask 503, as shown in FIG. 504 '). That is, in this case, when the LOCOS phenomenon in which the third mask 503 is deposited as the nitride film and the thermal oxide film is locally formed as the fourth mask 504 for sidewall protection does not occur, the oxide film or nitride film as the sidewall protective film on the entire surface thereof. It means to deposit. For example, a nitride film is coated with the third mask 503 and another oxide film or nitride film other than the thermal oxide film is deposited as the sidewall protection mask 504 '.
다음에, 도 13j에 도시된 바와 같이, 다음 도 13k의 노즐부 습식에칭 공정에서 습식 에칭이 이루어질 부분에 대한 바닥면의 제4마스크(504, 504')를 에칭하여 개구부(514)를 형성한다. 이러한 깊은 곳에 대한 에칭 공정에는 이방성 에칭이 우수한 건식 에칭 장비를 이용한다. 이 때, 도 13i의 제4마스크(504)의 경우는 이종 물질간(산화막 vs 질화막)의 선택비에 따른 선택적 에칭으로 개구부(514)가 이루어지며, 도 13ia의 제4마스크(504')의 경우는 막간 두께차이에 따른 선택적 에칭으로 개구부(514)가 형성되어 도 13k의 노즐부 형성 공정시 선택적으로 습식 에칭된다. 실시예는 도 13i에 도시된 바와 같은 공정을 따른다. Next, as shown in FIG. 13J, the openings 514 are formed by etching the fourth masks 504 and 504 ′ of the bottom surface to the portion where the wet etching is to be performed in the nozzle part wet etching process of FIG. 13K. . This deep etching process uses dry etching equipment with excellent anisotropic etching. At this time, in the case of the fourth mask 504 of FIG. 13I, the opening 514 is formed by selective etching according to the selectivity between the different materials (oxide vs. nitride), and the fourth mask 504 ′ of FIG. In this case, the opening 514 is formed by selective etching according to the interlayer thickness difference, and is selectively wet etched during the nozzle part forming process of FIG. 13K. The embodiment follows a process as shown in FIG. 13I.
다음에, 도 13k에 도시된 바와 같이, 노즐의 원추부(514') 및 유로의 경사부를 형성하기 위하여 앞의 공정에서 개구된 영역에 에천트로 TMAH(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide)를 사용하여 습식 에칭을 행한다. 이러한 습식 에칭 공정은 실리콘 결정 방향에 따른 이방성 에칭으로 노즐의 원추부 모양이 에칭되고, 유로 영역 역시 경사지게 에칭된다. 특히, 이 댐퍼 원추부의 습식 에칭 깊이에 의해 다음에 형성되는 노즐 배출구의 길이가 결정된다.Next, as shown in FIG. 13K, wet etching using Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide (TMAH) in the area opened in the previous process to form the conical portion 514 'of the nozzle and the inclined portion of the flow path. Is done. In this wet etching process, the cone shape of the nozzle is etched by anisotropic etching along the silicon crystal direction, and the flow path region is also etched obliquely. In particular, the wet etch depth of this damper cone portion determines the length of the nozzle outlet formed next.
다음에, 도 13l에 도시된 바와 같이, 앞서의 에칭 공정으로 노출된 실리콘면을 국소적으로 열산화시켜 제5마스크(505)를 형성한다(LOCOS 공정이용). 이 제5마스크(505)는 도 13n의 공정과 도 13p의 공정시 마스크 역할을 함으로써 노즐의 모양을 유지시켜주는 역할을 한다. 이 에칭 공정들에서 질화막에 대한 열 산화막의 LOCOS 현상으로 생긴 열산화막이 노즐 부분만을 마스킹한다.Next, as shown in FIG. 13L, the silicon surface exposed by the above etching process is locally thermally oxidized to form a fifth mask 505 (using the LOCOS process). The fifth mask 505 serves to maintain the shape of the nozzle by acting as a mask during the process of FIG. 13N and the process of FIG. 13P. In these etching processes, the thermal oxide film resulting from the LOCOS phenomenon of the thermal oxide film with respect to the nitride film masks only the nozzle portion.
다음에, 도 13m에 도시된 바와 같이, 제3마스크(503)(질화막)을 국소적으로 제거하여 압력챔버(Pressure Chamber) 형성을 위한 개구부(515)를 형성한다. 이 때, 에첸트로 인산을 사용하여 웨이퍼 전면의 질화막을 습식에칭법으로 제거한다.Next, as shown in FIG. 13M, the third mask 503 (nitride film) is locally removed to form an opening 515 for forming a pressure chamber. At this time, the nitride film on the entire surface of the wafer is removed by wet etching using etchant as phosphoric acid.
다음에, 도 13n에 도시된 바와 같이, 압력챔버(Pressure Chamber)(403) 형성을 위한 실리콘 딥 에칭(deep etching)을 실시한다. 에칭 깊이는 도 11에서 b-a의 깊이로 한다. 즉, ICP RIE를 이용하여 85㎛ 정도의 깊이로 에칭한다.Next, as shown in FIG. 13N, a silicon deep etching for forming a pressure chamber 403 is performed. The etching depth is taken as the depth of b-a in FIG. That is, etching is performed to a depth of about 85 μm using ICP RIE.
다음에, 도 13o에 도시된 바와 같이, 제2마스크(2nd mask; TEOS)(502)를 국소적으로 제거하여 채널(channel) 형성을 위한 개구부(516)를 형성한다. 개구부(516)는 건식 에칭법으로 제2마스크(TEOS) 두께 만큼만 제거한다.Next, as shown in FIG. 13O, the second mask (TEOS) 502 is locally removed to form an opening 516 for channel formation. The opening 516 is removed only by the thickness of the second mask TEOS by dry etching.
다음에, 도 13p에 도시된 바와 같이, 개구부(516)를 이용하여 채널(Restrictor)(404) 형성을 위한 실리콘 딥에칭(deep etching)(도 11에서 깊이 a로)을 실시한다. 즉, ICP RIE를 이용하여 15㎛ 정도의 깊이로 에칭한다.Next, as shown in FIG. 13P, silicon deep etching (to depth a in FIG. 11) is performed to form a channel 404 using the openings 516. That is, it etches to the depth of about 15 micrometers using ICP RIE.
다음에, 도 13q에 도시된 바와 같이, 기판 배면(Back-side)에 형성된 제2마스크(502) 및 제1마스크(501)를 포토레지스트 마스크(PR)에 의한 국소적으로 에칭하여 노즐의 배출구를 형성하기 위한 양면 정렬 개구부(517)를 건식에칭법으로 형성한다. 이 개구부(517)의 크기에 따라 노즐의 배출구 크기가 결정된다. 즉, 이 개구 공정에서는 건식 에칭법으로 직경 24㎛의 노즐 배출구 형성을 위한 개구부로 제2마스크(2nd mask; TEOS)와 제1마스크(1st mask; 열 산화막)을 연속적으로 에칭한다. 또한, 상기와는 달리 도 13qa에 도시된 바와 같이, 모든 마스크 재료를 벗겨 내고 잉크 재충전(refill)을 위해 친수성 코팅을 한 후, 기판 배면(Back-side)에 형성된 제2마스크 및 제1마스크를 국소적으로 에칭하여 노즐 배출구를 형성하기 위한 양면 정렬 개구부(517')를 포토레지스트 마스크(PR)를 이용한 건식에칭법으로 형성한다. 즉, 친수성 코팅막으로 열 산화막을 증착하고, 직경 24 μm의 노즐 배출구 직경에 대응하는 직경의 개구부를 형성한다. 이는 반도체 공정을 활용하여 크기에 대한 spec.이 매우 균일하고 정확하다.Next, as shown in FIG. 13Q, the second mask 502 and the first mask 501 formed on the substrate back-side are locally etched by the photoresist mask PR to discharge the nozzles. The double-sided alignment openings 517 for forming the grooves are formed by dry etching. The size of the outlet of the nozzle is determined by the size of this opening 517. That is, in this opening step, the second mask (TEOS) and the first mask (thermal oxide film) are continuously etched by the dry etching method with the opening for forming the nozzle outlet having a diameter of 24 µm. In addition, unlike the above, as shown in FIG. 13qa, after removing all the mask material and applying a hydrophilic coating for ink refill, the second mask and the first mask formed on the back-side of the substrate are removed. A double-sided alignment opening 517 'for locally etching to form a nozzle outlet is formed by dry etching using a photoresist mask PR. That is, a thermal oxide film is deposited with a hydrophilic coating film, and an opening having a diameter corresponding to the nozzle outlet diameter of 24 mu m in diameter is formed. It is a very uniform and accurate spec. For the size using the semiconductor process.
다음에, 도 13r에 도시된 바와 같이, 개구부(517)을 이용하여 실리콘을 에칭함으로써 노즐 배출구(401a)를 형성한다. 그리고, PR 마스크를 제거한 다음 세척 후 소수성 코팅막(506)의 증착을 실시한다. 잉크의 분사 시 노즐의 배출구(401a)에서는 잉크의 젖음(wetting)이 없어야 하고, 잉크 드롭(drop)에 대해 끊어 줄 수 있는 소수성 표면처리가 필요하다. 실제로, 실리콘 에칭 깊이는 24㎛ 정도로 에칭함으로써 노즐 배출구 쪽에는 제5마스크(505)의 막에 의해서만 막혀 있게 된다. 소수성 코팅막(506)으로는 테프론(Teflon) 계열 및 C4F8/SF6/Ar 혼합 가스의 PECVD에 의한 유기막을 사용한다. 도 13ra에 도시된 공정은 도 13qa에 도시된 공정의 연속으로 도 13r의 공정과 동일한 공정으로 이루어진다. 이 도 13r 및 도 13ra 공정에서는 소수성 코팅의 경계를 분명하게 조절할 수 있고 일괄 공정으로 제작 가능함이 주효하다.Next, as shown in FIG. 13R, the nozzle outlet 401a is formed by etching the silicon using the opening 517. After removing the PR mask, the hydrophobic coating layer 506 is deposited after washing. When the ink is ejected, the nozzle 401a of the nozzle should have no wetting of the ink, and a hydrophobic surface treatment capable of breaking the ink drop is required. In fact, the silicon etching depth is etched to about 24 μm so that it is only blocked by the film of the fifth mask 505 on the nozzle outlet side. As the hydrophobic coating film 506, an organic film by PECVD of a Teflon-based and C4F8 / SF6 / Ar mixed gas is used. The process shown in FIG. 13ra consists of the same process as the process of FIG. 13r as a continuation of the process shown in FIG. In this FIG. 13r and FIG. 13ra process, the boundary of the hydrophobic coating can be clearly controlled and can be manufactured in a batch process.
다음에, 도 13s에 도시된 바와 같이, 노즐 원추부(401b)의 제5마스크(505)의 막을 습식 혹은 건식 에칭법을 이용하여 에칭함으로서 잉크 흐름이 이루어지도록 배출구(401a)를 관통시킨다. 이 때, 소수성 코팅막(506)은 유지되어야 하며, 유로에 대한 친수성 코팅은 자연 산화막으로 대체 할 수 있다. 실제로, 제5마스크(505) 막의 제거시 노즐 쪽에서 에칭하는 경우는 친수성 코팅 막에 대한 고려가 필요없으나 반대 방향으로의 에칭 시에는 친수성 코팅 막도 제거되는데 이는 간단한 친수성 처리로도 자연산화막이 형성되어 친수성 처리에 문제가 없다. 도 13sa 에 도시된 공정은 도 13ra에 도시된 공정의 연장으로 도 13s에 도시된 공정과 동일하다.Next, as shown in FIG. 13S, the discharge port 401a is penetrated so that ink flows by etching the film of the fifth mask 505 of the nozzle cone portion 401b using a wet or dry etching method. At this time, the hydrophobic coating film 506 should be maintained, the hydrophilic coating for the flow path can be replaced with a natural oxide film. In fact, when etching from the nozzle side when removing the fifth mask 505 film, it is not necessary to consider the hydrophilic coating film, but when etching in the opposite direction, the hydrophilic coating film is also removed, which is a natural oxide film formed by simple hydrophilic treatment. No problem with hydrophilic treatment The process shown in FIG. 13sa is the same as the process shown in FIG. 13s with the extension of the process shown in FIG. 13ra.
이상과 같은 도 13a 내지 도 13s 혹은 도 13a 내지 도 13sa 에 제시된 공정들은 (100)면 실리콘 웨이퍼를 사용하여 댐퍼, 노즐, 채널, 잉크 유로 및 잉크 챔버의 형성을 한 웨이퍼 상에 연속공정으로 구조체를 제조하는 방법을 제안하는 것으로 구조의 스펙이 수 미크론 이하로 정확하고 두 개체가 정렬이 자동정렬 될 수 있음을 보여 준다. 이에 다단층 구조물을 형성하기 위해 수 미크론 이하의 다중 마스크(multiple mask)를 이용하면 수십 수백 미크론의 단차를 극복해야 하는 포토리소그래피 공정의 문제를 단지 수 미크론 이내의 표면 단차의 문제로 해결하고 보다 정확한 구조물을 형성할 수 있게 될 뿐만 아니라 공정을 단순화 시킬 수 있다. 하지만 일반적인 다중 마스크를 이용할 경우 이 제안에서 소개된 노즐처럼 에칭 양상이 다른(결정방향에 따른 이방성 에칭 등) 구조물 에칭이 필요로 하는 공정에는 단순한 다중 마스크 방법은 적용할 수가 없다. 도 13a 내지 도 13s(혹은 도 13sa )에 도시된 바와 같이, LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 현상은 수백 미크론 단차로 에칭 양상이 다른 복잡한 구조물을 보호하는 패터닝으로 노즐 형상을 포함한 구조 에칭을 할 수 있는 유일한 마스킹(masking) 방법이 될 수 있다.The processes shown in FIGS. 13A to 13S or 13A to 13SA described above are performed in a continuous process on a wafer on which a damper, a nozzle, a channel, an ink flow path, and an ink chamber are formed using a (100) plane silicon wafer. The proposed method of fabrication shows that the specification of the structure is accurate to several microns or less and that the two objects can be automatically aligned. The use of multiple masks of several microns or less to form multi-layered structures thus solves the problem of photolithography processes that must overcome tens of hundreds of microns of steps with only a few microns of surface steps and more accurate Not only can the structure be formed, but the process can be simplified. However, if a general multiple mask is used, a simple multiple mask method cannot be applied to a process requiring structure etching with different etching patterns (such as anisotropic etching depending on the crystal direction) as the nozzle introduced in this proposal. As shown in FIGS. 13A to 13S (or FIG. 13sa), the LOCal Oxidation of Silicon (LOCOS) phenomenon is capable of etching a structure including a nozzle shape by patterning to protect complex structures having different etching patterns by several hundred microns. It can be the only masking method.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 프린트 헤드용 노즐 어셈블리는 기존의 여러 장의 웨이퍼 및 판을 사용하여 적층하던 복잡한 구조를 단순화하여 한 장의 (100)면 실리콘 단결정 웨이퍼를 이용하여 엇갈림이 없이 일체형으로 구현함으로써 대량생산을 가능케 하고, 더욱이 웨이퍼의 결정면을 이용한 이방성 에칭공정과 LOCOS 공정을 이용한 적절한 마스크 형성 공정 등을 이용하는 일괄 자동 정렬 공정으로 제작함으로써 웨이퍼의 수를 줄일 수 있다. 즉, 일반적인 실리콘 포토리소그래피 공정을 활용하여 이들의 얼라인 오차를 수 미크론 이하로 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 복잡하지도 않고 경제성이 탁월하며 수율도 좋다. 특히, 양면 정렬로 웨이퍼(기판)의 배면에서 에칭하여 노즐 크기를 서브 미크론(sub-micron) 이하로 뚫을 수 있고, 표면 처리의 경계를 명확히 구분짓게 할 수 있다. 또한, 실리콘의 반도체 공정기술을 이용함으로써 대량 생산 뿐 만 아니라 핵심 노즐의 집적화도 가능하게 되고 친수/소수성 표면처리의 효과도 용이하게 얻을 수있다.As described above, the nozzle assembly for an integrated inkjet printhead using a single crystal silicon wafer according to the present invention uses a single (100) plane silicon single crystal wafer by simplifying a complicated structure laminated using several wafers and plates. Therefore, it is possible to reduce the number of wafers by fabricating them in one-piece without any staggering and by mass batch production by using an anisotropic etching process using the crystal surface of the wafer and an appropriate mask forming process using the LOCOS process. In other words, not only can the alignment error be reduced to a few microns or less by utilizing a general silicon photolithography process, but it is also not complicated, has excellent economic efficiency, and yields. In particular, the two-sided alignment can be etched on the backside of the wafer (substrate) to drill the nozzle size down to sub-microns and to clearly distinguish the boundaries of the surface treatment. In addition, the use of silicon semiconductor processing technology enables not only mass production, but also integration of core nozzles and the effect of hydrophilic / hydrophobic surface treatment.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 구조를 나타내는 단면도 및 분해 사시도, 1A and 1B are cross-sectional views and exploded perspective views showing the structure of a nozzle assembly for a conventional inkjet head, respectively;
도 2a 내지 도 2f는 또 다른 종래의 노즐 어셈블리(U.S. 3,921,916)의 적층 방법을 나타내는 도면들,2a to 2f are views showing a lamination method of another conventional nozzle assembly (U.S. 3,921,916),
도 3 내지 도 5는 각각 종래의 마이크로 노즐 어셈블리의 다양한 형성 방법을 설명하는 도면들,3 to 5 are views for explaining various methods of forming a conventional micro nozzle assembly, respectively;
도 6a 및 도 6b는 종래의 실리콘 노즐 어셈블리의 형성 방법 중 노즐부 부착에 의한 형성 방법을 설명하는 도면,6A and 6B are views for explaining a method of forming a nozzle by attaching a nozzle in a conventional method of forming a silicon nozzle assembly;
도 7a 내지 도 7d는 종래의 실리콘 노즐 어셈블리의 형성 방법 중 노즐판 부착후 노즐을 형성하는 방법을 설명하는 도면,7A to 7D are views for explaining a method of forming a nozzle after attaching a nozzle plate in a conventional method of forming a silicon nozzle assembly;
도 8a 내지 도 8c는 단결정 실리콘 기판을 결정면을 이용하여 이방성 습식 에칭한 결과를 보여주는 도면들,8A to 8C illustrate anisotropic wet etching results of a single crystal silicon substrate using a crystal plane;
도 9는 건식 에칭 공정을 설명하는 도면,9 illustrates a dry etching process;
도 10a 내지 도 10k는 단차 있는 구조의 실리콘 노즐 어셈블리를 포토리소그래피(Photolithography)법으로 에칭하는 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면들,10A through 10K are sectional views illustrating a method of etching a silicon nozzle assembly having a stepped structure by photolithography;
도 11은 본 발명에 따른 (100)면 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 단면도,11 is a cross-sectional view of a nozzle assembly for an integrated inkjet head using a (100) plane single crystal silicon wafer according to the present invention;
도 12는 도 11의 일체형 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 개략적 사시도,12 is a schematic perspective view of the nozzle assembly for the integrated inkjet head of FIG. 11;
도 13a 내지 도 13s(s')는 도 11 및 도 12의 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 일체형 잉크젯 헤드용 노즐 어셈블리의 자동 정렬 공정에 의한 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들,13A to 13S (s') are cross-sectional views illustrating a manufacturing method by an automatic alignment process of the nozzle assembly for an integrated inkjet head using the single crystal silicon wafer of FIGS.
그리고 도 14a 및 도 14b는 각각 SOI 웨이퍼 및 에칭 정지층이 본딩된 웨이퍼를 사용하여 댐퍼를 형성하는 방법을 설명하는 도면들이다. 14A and 14B are diagrams for explaining a method of forming a damper using a wafer bonded with an SOI wafer and an etch stop layer, respectively.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10. 제1마스크 11.개구부10. 1st mask 11.opening
12. 댐퍼 13, 13'. 측벽 보호용 마스크12. Damper 13, 13 '. Side wall protection mask
14. 개구부 15. 노즐 원추부14. Opening 15. Nozzle cone
16. 개구부 17. 노즐 배출구16. Opening 17. Nozzle Outlet
400. 실리콘 기판 401. 노즐400. Silicon substrate 401. Nozzle
402. 잉크 댐퍼 403. 압력챔버402. Ink Damper 403. Pressure Chamber
404. 채널 405. 유로404. Channel 405. Euro
501. 제1마스크(1st mask) 502. 제2마스크(2nd mask)501. 1st mask 502. 2nd mask
503. 제3마스크(3rd mask) 504, 504'. 보호용 제4마스크503. 3rd mask 504, 504 '. Protective fourth mask
505. 제5마스크 506. 소수성 코팅막505. Fifth Mask 506. Hydrophobic Coating Film
511. 개구부 512. 개구부511. Openings 512. Openings
513, 513', 513". 개구부 514. 개구부513, 513 ', 513 ". Opening 514. Opening
516. 개구부 517, 517'. 개구부516. Openings 517, 517 '. Opening
521. 포토레지스트 마스크521. Photoresist Mask
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