KR100590527B1 - Inkjet printhead and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성되며, 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 유로가 그 표면에 나란하게 형성된 기판; 기판 상에 적층되며 절연물질로 이루어진 다수의 보호층과, 보호층 위에 적층되며 열전도성 있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하며, 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및 노즐 플레이트의 보호층들 사이에 마련되는 것으로, 잉크 챔버의 상부에 위치하여 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와 히터에 전류를 인가하는 도체;를 구비한다.An inkjet printhead and a method of manufacturing the same are disclosed. In the disclosed inkjet printhead, an ink chamber filled with ink to be discharged is formed on the surface thereof, a manifold for supplying ink to the ink chamber is formed on the rear side thereof, and an ink flow path connecting the ink chamber and the manifold is formed. A substrate formed side by side on the surface; A nozzle plate stacked on a substrate and comprising a plurality of protective layers made of an insulating material, and a heat dissipating layer stacked on the protective layer and made of a thermally conductive metal material, the nozzle plate being formed through the nozzle connected to the ink chamber; And a heater disposed between the protective layers of the nozzle plate and positioned above the ink chamber to heat the ink in the ink chamber, and a conductor to apply a current to the heater.
Description
도 1은 종래 잉크젯 프린트헤드의 일 예를 도시한 사시도.1 is a perspective view showing an example of a conventional inkjet printhead.
도 2는 종래 잉크젯 프린트헤드의 다른 예를 도시한 사시도. 2 is a perspective view showing another example of a conventional inkjet printhead.
도 3은 종래 잉크젯 프린트헤드의 또다른 예를 도시한 사시도. 3 is a perspective view showing another example of a conventional inkjet printhead.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도.4 is a schematic plan view of an inkjet printhead according to an embodiment of the invention.
도 5는 도 4의 A부분을 확대하여 도시한 평면도.5 is an enlarged plan view of portion A of FIG. 4;
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 단면도.FIG. 6 is a sectional view of the inkjet printhead along the VI-VI line of FIG. 5; FIG.
도 7은 잉크 챔버 및 잉크 유로가 형성된 기판의 일부 사시도. 7 is a partial perspective view of a substrate on which an ink chamber and an ink passage are formed.
도 8 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 나타내는 도면들.8 to 19 are views illustrating a process of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention.
도 20 및 도 22은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 다른 과정을 도시한 단면도들.20 and 22 are cross-sectional views showing another process of manufacturing the inkjet printhead according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100... 기판 101... 본딩 패드100
102... 매니폴드 103... 잉크 토출부102 ... Manifold 103 ... Ink ejection
104... 노즐 104a... 하부 노즐104 ... Nozzle 104a ... Lower Nozzle
104b... 상부 노즐 105... 잉크 유로104b ...
105a... 잉크 채널 105b... 잉크 피드홀105a
106... 잉크 챔버 108...히터106
112... 도체 120... 노즐 플레이트112 ... conductor 120 ... nozzle plate
121,122,126... 제1,제2,제3 보호층121,122,126 ... 1st, 2nd, 3rd protective layer
127,127'... 시드층 128... 열발산층 127,127 '
250,250'... 희생층 300... SOI 기판 250,250 '...
350... 하부 도금틀 450... 상부 도금틀350 ...
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 잉크 유로를 잉크 챔버와 동일한 평면 상에 형성함으로써 토출 성능을 향상시킬 수 있고,기판 상에 금속 노즐판을 마련함으로써 노즐을 통하여 토출되는 액적의 직진성을 향상시키고, 히터에서 발생된 열을 효과적으로 방열하여 구동 주파수를 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inkjet printhead and a method of manufacturing the same, and in particular, the ejection performance can be improved by forming the ink flow path on the same plane as the ink chamber, and the liquid ejected through the nozzle by providing a metal nozzle plate on the substrate. The present invention relates to an inkjet printhead and a method of manufacturing the same, which improves straightness of an enemy and effectively radiates heat generated from a heater to improve driving frequency.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린터헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다. In general, an inkjet printhead is an apparatus for ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on a recording sheet to print an image of a predetermined color. Such inkjet printheads can be largely classified in two ways depending on the ejection mechanism of the ink droplets. One is a heat-driven inkjet printhead which generates bubbles in the ink by using a heat source and ejects ink droplets by the expansion force of the bubbles, and the other is ink due to deformation of the piezoelectric body using a piezoelectric body. A piezoelectric drive inkjet printhead which discharges ink droplets by a pressure applied thereto.
상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크가 충만된 잉크 챔버 내부에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다. The ink droplet ejection mechanism of the thermally driven inkjet printhead will be described in detail as follows. When a pulse current flows through a heater made of a resistive heating element, heat is generated in the heater and the ink adjacent to the heater is instantaneously heated to approximately 300 ° C. As a result, bubbles are generated while the ink is boiled, and the generated bubbles expand to apply pressure to the ink chamber filled with the ink. As a result, the ink near the nozzle is discharged out of the ink chamber in the form of droplets through the nozzle.
여기에서, 버블의 성장방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 상기 열구동 방식은 다시 탑-슈팅(top-shooting), 사이드-슈팅(side-shooting), 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류될 수 있다. 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이며, 그리고 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 액적 토출 방식을 말한다. Here, the thermal driving method is further classified into a top-shooting, side-shooting, and back-shooting method according to the bubble growth direction and the ink droplet ejection direction. Can be. In the top-shooting method, the growth direction of the bubble and the ejection direction of the ink droplets are the same. In the side-shooting method, the growth direction of the bubble and the ejection direction of the ink droplets are perpendicular to each other. An ink droplet ejecting method in which the growth direction and the ejecting direction of the ink droplets are opposite to each other.
이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)은 억제하면서도 인접한 노즐 사이의 간격은 가능한 한 좁아야 한다. 즉, DPI(dots per inch)를 높이기 위해서는 다수의 노즐을 고밀도로 배 치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다. Such thermally driven inkjet printheads generally must meet the following requirements. First, the production should be as simple as possible, inexpensive to manufacture, and capable of mass production. Second, in order to obtain a high quality image, the distance between adjacent nozzles should be as narrow as possible while suppressing cross talk between adjacent nozzles. In other words, to increase dots per inch (DPI), it is necessary to be able to place a large number of nozzles at high density. Third, for high speed printing, the period during which ink is refilled in the ink chamber after the ink is ejected from the ink chamber should be as short as possible. In other words, the heated ink must be cooled quickly to increase the driving frequency.
도 1은 종래 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일 예로서, 미국특허 제5,502,471호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 사시도이다. 도면을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드(24)는 잉크 액적이 토출되는 노즐(10)과 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(16)가 형성된 기판(11), 잉크 챔버(16)와 잉크 저장고(12)를 연결하는 관통홀(2)이 형성된 커버플레이트(3) 및, 잉크 챔버(16)로 잉크를 공급하기 위한 잉크저장고(12)가 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 상기 기판(11)의 노즐(10) 주위에는 히터(42)가 환상으로 배치되어 있다. 1 is a perspective view illustrating a structure of an inkjet printhead disclosed in US Pat. No. 5,502,471 as an example of a conventional back-shooting inkjet printhead. Referring to the drawings, the inkjet printhead 24 includes a
상기의 구조에서, 히터(42)에 펄스 형태의 전류가 공급되어 히터(42)에 열이 발생되면, 잉크 챔버(16) 내의 잉크는 비등하여 버블이 생성된다. 생성된 버블은 계속하여 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(16) 내에 채워진 잉크에 압력이 가해져 노즐(10)을 통하여 잉크 액적이 외부로 토출된다. 다음으로, 잉크저장고(12)로부터 커버플레이트(3)에 형성된 관통홀(2)을 통해 잉크 챔버(16) 내부로 잉크가 흡입되어 잉크 챔버(16)는 다시 잉크로 채워진다.In the above structure, when the current in the form of a pulse is supplied to the
그러나, 이러한 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크 챔버의 높이가 기판의 두께와 거의 동일하므로, 아주 얇은 두께의 기판을 사용하지 않는다면 잉크 챔버의 크기가 커지게 된다. 따라서, 잉크를 토출하는데 사용되어야 할 버블의 압력이 주위의 잉크에 의하여 분산되는 현상이 발생함으로써 결과적으로 토출 특성이 나빠지게 된다. 한편, 잉크 챔버의 크기를 줄이기 위하여 얇은 기판을 사용하게 되면, 그 기판의 가공이 어렵게 된다. 즉, 현재 잉크젯 프린트헤드에서 일반적으로 사용되는 잉크 챔버의 높이는 10 ~ 30㎛ 정도로, 이 정도의 높이를 가지는 잉크 챔버를 형성하기 위해서는 10 ~ 30㎛ 의 실리콘 기판을 사용해야 한다. 하지만 반도체 공정으로는 이러한 두께의 실리콘 기판을 가공하기는 불가능하다. However, in such an inkjet printhead, the height of the ink chamber is almost equal to the thickness of the substrate, so that the size of the ink chamber becomes large unless a very thin substrate is used. Therefore, a phenomenon occurs in which the pressure of the bubble to be used for ejecting the ink is dispersed by the surrounding ink, resulting in poor ejection characteristics. On the other hand, when a thin substrate is used to reduce the size of the ink chamber, it becomes difficult to process the substrate. That is, the height of the ink chamber generally used in the current inkjet printhead is about 10 to 30 µm, and a silicon substrate of about 10 to 30 µm must be used to form an ink chamber having such a height. However, it is not possible to process silicon substrates of this thickness in semiconductor processes.
한편, 상기와 같은 구조의 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위하여는 기판, 커버플레이트 및 잉크저장고를 접합하여야 한다. 따라서, 그 제작공정이 복잡해지게 되며, 토출 특성에 민감하게 영향을 주는 요소인 잉크 유로를 정교하게 형성할 수 없다는 문제점이 있다.On the other hand, in order to manufacture the inkjet printhead of the above structure, the substrate, the cover plate and the ink reservoir must be bonded. Therefore, the manufacturing process becomes complicated, and there is a problem in that the ink flow path, which is an element that affects the discharge characteristics sensitively, cannot be formed precisely.
도 2는 종래 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드의 다른 예로서, 미국특허 제5,841,452호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 실리콘 등으로 된 기판(30)의 상부에는 반구형의 잉크 챔버(15)가 형성되어 있고, 그 하부에는 잉크 챔버(15)로 잉크를 공급하는 매니폴드(26)가 형성되어 있으며, 잉크 챔버(15)와 매니폴드(26) 사이에는 잉크 챔버(15)와 매니폴드(26)를 연결하는 잉크 채널(13)이 기판(30)의 표면에 수직하게 원통형으로 형성되어 있다. 기판(30)의 표면에는 잉크 액적(18)이 토출되는 노즐(21)이 형성된 노즐판(20)이 위치하여, 잉크 챔버(15)의 상부벽을 이룬다. 상기 노즐판(20)에는 노즐(21)에 인접하여 이를 감싸는 환상의 히터(22)가 형성되어 있으며, 이 히터(22)에는 전류를 인가하기 위한 전기선(미도시)가 연결되어 있다.2 is a cross-sectional view showing the structure of the inkjet printhead disclosed in US Pat. No. 5,841,452 as another example of the conventional back-shooting inkjet printhead. Referring to the drawings, a
상기의 구조에서, 매니폴드(26) 및 잉크 채널(13)을 통하여 공급된 잉크가 잉크 챔버(15)에 채워진 상태에서, 환상의 히터(22)에 펄스 형태의 전류를 인가하면 히터(22)에서 발생된 열에 의하여 히터(22) 아래의 잉크가 비등하여 버블이 생성된다. 이에 따라, 잉크 챔버(15) 내에 채워진 잉크에 압력이 가해져 노즐(21) 부근에 있던 잉크가 노즐(21)을 통해 외부로 잉크 액적(18)의 형태로 토출된다. 다음으로 잉크 채널(13)을 통해 잉크가 흡입되면서, 잉크 챔버(15) 내에 잉크가 다시 채워진다. In the above structure, when the ink supplied through the manifold 26 and the
이러한 잉크젯 프린트헤드에서는, 기판의 일부분만을 식각해서 잉크 챔버를 형성하므로 잉크 챔버의 크기를 작게할 수 있고, 또한 접합 공정없이 일괄 공정으로 프린트헤드가 제조되므로 그 제조공정이 간단하다는 장점이 있다.In such an inkjet printhead, since only a part of the substrate is etched to form an ink chamber, the size of the ink chamber can be reduced, and the manufacturing process is simple since the printhead is manufactured in a batch process without a bonding process.
그러나, 잉크 채널이 노즐과 일직선상에 위치하므로, 버블 생성시 잉크가 잉크 채널쪽으로 역류(back flow)하는 현상이 발생하게 되어 토출 특성이 나빠지게 된다. 또한, 노즐에 의하여 노출된 기판을 식각하여 잉크 챔버를 형성하므로, 잉크 챔버의 크기는 작게할 수 있지만, 임의의 형상을 가지는 잉크 챔버를 제작할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 최적의 형상을 가지는 잉크 챔버를 만들기가 어렵다. However, since the ink channel is located in line with the nozzle, the back flow of the ink occurs when bubbles are generated, resulting in poor discharge characteristics. Further, since the ink chamber is formed by etching the substrate exposed by the nozzle, the size of the ink chamber can be reduced, but there is a disadvantage in that an ink chamber having an arbitrary shape cannot be manufactured. Therefore, it is difficult to make an ink chamber having an optimal shape.
도 3은 종래 백-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드의 또다른 예로서, 미국특허 제6,382,782호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 개략적인 단면도이다. 도면을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 노즐(51)이 형성된 노즐판(50), 잉크 챔버(61) 및 잉크 채널(62)이 형성된 절연층(60) 및 상기 잉크 챔버(61)로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(55)가 형성된 실리콘 기판(70)이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the inkjet printhead disclosed in US Pat. No. 6,382,782 as another example of a conventional back-shooting inkjet printhead. Referring to the drawings, the inkjet printhead supplies ink to the
이러한 잉크젯 프린트헤드에서는, 기판 상에 적층된 절연층을 이용하여 잉크 챔버를 형성함으로써 잉크 챔버의 형상을 임의적으로 할 수 있고, 역류 현상도 줄일 수 있는 장점이 있다.In such an inkjet printhead, by forming an ink chamber using an insulating layer laminated on a substrate, the shape of the ink chamber can be arbitrarily reduced, and the backflow phenomenon can be reduced.
그러나, 이러한 잉크젯 프린트헤드의 제조에 있어서, 실리콘 기판 위에 두꺼운 절연층을 증착하고, 이를 식각하여 잉크 챔버를 형성하는 방법이 일반적으로 사용되는데, 이러한 방법은 다음과 같은 문제가 있다. 첫째, 현존하는 반도체 공정으로는 기판 상에 두꺼운 절연층을 쌓기가 어려우며, 둘째, 두꺼운 절연층을 식각하기가 어렵다는 점이다. 따라서, 이러한 잉크젯 프린트헤드에서는 잉크 챔버의 높이에 일정한 한계가 있으며, 이에 따라 대략 6㎛ 정도의 잉크 챔버와 노즐이 도 3에 도시되어 있다. 그러나 이 정도 잉크 챔버의 높이로는 비교적 큰 드롭 사이즈를 가지는 잉크젯 프린트헤드를 제작하기는 불가능하다. However, in the manufacture of such an inkjet printhead, a method of depositing a thick insulating layer on a silicon substrate and etching the same to form an ink chamber is generally used, which has the following problems. First, it is difficult to stack a thick insulating layer on a substrate in the existing semiconductor process, and second, it is difficult to etch a thick insulating layer. Therefore, in such an inkjet printhead, there is a certain limit to the height of the ink chamber, so that an ink chamber and a nozzle of about 6 mu m are shown in FIG. However, at this height of the ink chamber, it is impossible to produce an inkjet printhead having a relatively large drop size.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 잉크 유로를 잉크 챔버와 동일한 평면 상에 형성함으로써 토출 성능을 향상시킬 수 있고, 기판 상에 금속 노즐판을 마련함으로써 노즐을 통하여 토출되는 액적의 직진성을 향상시키고, 히터에서 발생된 열을 효과적으로 방열하여 구동 주파수를 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and by forming the ink flow path on the same plane as the ink chamber, the ejection performance can be improved, and by providing a metal nozzle plate on the substrate, SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an inkjet printhead having an improved structure and a method of manufacturing the same, which can improve straightness and effectively dissipate heat generated from a heater to improve driving frequency.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,In order to achieve the above object, the inkjet printhead according to the present invention,
토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성되며, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 유로가 그 표면에 나란하게 형성된 기판; An ink chamber filled with the ink to be discharged is formed on the surface side thereof, a manifold for supplying ink to the ink chamber is formed on the rear side thereof, and an ink flow path connecting the ink chamber and the manifold is parallel to the surface thereof. A substrate formed;
상기 기판 상에 적층되며 절연물질로 이루어진 다수의 보호층과, 상기 보호층 위에 적층되며 열전도성 있는 금속물질로 이루어진 열발산층을 포함하며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및 A nozzle plate laminated on the substrate and comprising a plurality of protective layers made of an insulating material, and a heat dissipating layer stacked on the protective layer and made of a thermally conductive metal material, the nozzle plate being formed through the nozzle connected to the ink chamber; And
상기 노즐 플레이트의 상기 보호층들 사이에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버의 상부에 위치하여 상기 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와, 상기 히터에 전류를 인가하는 도체;를 구비한다.And a heater disposed between the passivation layers of the nozzle plate and positioned above the ink chamber to heat the ink in the ink chamber, and a conductor to apply a current to the heater.
상기 잉크 유로는 상기 잉크 챔버와 동일 평면상에 형성되는 것이 바람직하다, 여기서, 상기 잉크 유로는 상기 잉크 챔버와 연결되는 적어도 하나의 잉크 채널 및, 상기 잉크 채널과 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 피드홀을 구비한다. Preferably, the ink flow path is formed on the same plane as the ink chamber, wherein the ink flow path includes at least one ink channel connected to the ink chamber, and an ink feed hole connecting the ink channel and the manifold. It is provided.
상기 보호층들은 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 보호층, 제2 보호층 및 제3 보호층을 포함하며, 상기 히터는 상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층 사이에 마련되며, 상기 도체는 상기 제2 보호층과 상기 제3 보호층 사이에 마련된다.The passivation layers include a first passivation layer, a second passivation layer, and a third passivation layer sequentially stacked on the substrate, and the heater is provided between the first passivation layer and the second passivation layer. The conductor is provided between the second protective layer and the third protective layer.
상기 다수의 보호층에는 상기 노즐의 하부가 형성되며, 상기 열발산층에는 상기 노즐의 상부가 형성된다.A lower portion of the nozzle is formed in the plurality of protective layers, and an upper portion of the nozzle is formed in the heat dissipating layer.
상기 열발산층에 형성되는 상기 노즐의 상부는 출구쪽으로 갈수록 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 된 것이 바람직하다.It is preferable that the upper portion of the nozzle formed in the heat dissipating layer has a tapered shape in which the cross-sectional area decreases toward the outlet.
상기 열발산층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 열발산층은 전기도금에 의해 10 ~ 100㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The heat dissipation layer may include at least one metal layer, and each of the metal layers may be made of any one metal material selected from the group consisting of nickel, copper, aluminum, and gold. Here, the heat dissipation layer is preferably formed to a thickness of 10 ~ 100㎛ by electroplating.
상기 보호층들 위에 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 시드층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다. A seed layer for electroplating the heat dissipation layer may be formed on the passivation layers. Here, the seed layer is made of at least one metal layer, each of the metal layer may be made of any one metal material selected from the group consisting of copper, chromium, titanium, gold and nickel.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,On the other hand, the manufacturing method of the inkjet printhead according to the present invention,
기판의 표면쪽에 소정 깊이의 희생층을 형성하는 단계;Forming a sacrificial layer of a predetermined depth toward the surface of the substrate;
상기 희생층이 형성된 상기 기판 상에 다수의 보호층들을 순차적으로 적층하면서, 히터와 상기 히터에 연결되는 도체를 상기 보호층들 사이에 형성하는 단계;Sequentially stacking a plurality of protective layers on the substrate on which the sacrificial layer is formed, forming a heater and a conductor connected to the heater between the protective layers;
상기 보호층들 위에 금속으로 이루어진 열발산층을 형성하고, 잉크가 토출되는 노즐을 상기 열발산층과 상기 보호층들을 관통하도록 형성하여 상기 희생층을 노출시키는 단계;Forming a heat dissipation layer made of metal on the passivation layers, and forming a nozzle through which the ink is discharged to pass through the heat dissipation layer and the passivation layers to expose the sacrificial layer;
상기 기판의 배면쪽에 잉크를 공급하는 매니폴드를 형성하는 단계;Forming a manifold for supplying ink to the back side of the substrate;
상기 노즐을 통하여 노출된 상기 희생층을 제거하여 잉크 챔버 및 잉크 유로를 형성하는 단계; 및Removing the sacrificial layer exposed through the nozzle to form an ink chamber and an ink flow path; And
상기 매니폴드와 상기 잉크 유로를 연결하는 단계;를 포함한다. Connecting the manifold and the ink flow path.
상기 희생층을 형성하는 단계는, 상기 기판의 표면을 식각하여 소정 깊이의 그루브를 형성하는 단계; 상기 그루브가 형성된 상기 기판의 표면을 산화시켜 산화 물층을 형성하는 단계; 및 상기 그루브의 내부에 소정의 물질을 채운 다음, 상기 기판의 표면을 평탄화시키는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 그루브의 내부에 소정의 물질을 채우는 단계는, 상기 그루브의 내부에 폴리실리콘을 에피택셜 성장시켜 채우는 단계인 것이 바람직하다.The forming of the sacrificial layer may include forming a groove having a predetermined depth by etching the surface of the substrate; Oxidizing a surface of the substrate on which the groove is formed to form an oxide layer; And filling a predetermined material in the groove, and then planarizing the surface of the substrate. Here, the filling of the predetermined material in the groove is preferably a step of epitaxially growing polysilicon in the groove.
상기 희생층을 형성하는 단계는, SOI 기판의 상부 실리콘 기판에 소정 형상의 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내부에 소정 물질을 채우는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 소정 물질은 실리콘 산화물인 것이 바람직하다.The forming of the sacrificial layer may include forming a trench having a predetermined shape in the upper silicon substrate of the SOI substrate; And filling a predetermined material in the trench. Here, the predetermined material is preferably silicon oxide.
상기 보호층들을 형성하는 단계는, 상기 희생층이 형성된 상기 기판의 표면에 제1 보호층을 형성하는 단계; 상기 제1 보호층 위에 상기 히터를 형성하는 단계; 상기 제1 보호층과 상기 히터 위에 제2 보호층을 형성하는 단계; 상기 제2 보호층 위에 상기 도체를 형성하는 단계; 및 상기 제2 보호층과 상기 도체 위에 제3 보호층을 형성하는 단계;를 포함한다.The forming of the protective layers may include forming a first protective layer on a surface of the substrate on which the sacrificial layer is formed; Forming the heater on the first protective layer; Forming a second passivation layer on the first passivation layer and the heater; Forming the conductor on the second protective layer; And forming a third protective layer over the second protective layer and the conductor.
상기 열발산층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 니켈, 구리, 알루미늄 및 금으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질을 전기도금함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 열발산층은 10 ~ 100㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The heat dissipation layer is formed of at least one metal layer, and each of the metal layers may be formed by electroplating any one metal material selected from the group consisting of nickel, copper, aluminum, and gold. Here, the heat dissipation layer is preferably formed to a thickness of 10 ~ 100㎛.
상기 열발산층 및 상기 노즐을 형성하는 단계는, 상기 희생층 상부의 상기 보호층들을 식각하여 하부 노즐을 형성하는 단계; 상기 하부 노즐의 내부에 하부 도금틀을 형성하는 단계; 상기 하부 도금틀 위에 상부 노즐 형성을 위한 소정 형상의 상부 도금틀을 형성하는 단계; 상기 보호층들 위에 상기 열발산층을 전기도금에 의해 형성하는 단계; 및 상기 상부 및 하부 도금틀을 제거하여 상기 상부 노즐과 상기 하부 노즐로 이루어지는 노즐을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 하부 도금틀 및 상부 도금틀은 포토레지스트 또는 감광성 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하다. The forming of the heat dissipation layer and the nozzle may include forming a lower nozzle by etching the protective layers on the sacrificial layer; Forming a lower plating mold in the lower nozzle; Forming an upper plating mold having a predetermined shape for forming an upper nozzle on the lower plating mold; Forming the heat dissipating layer on the passivation layers by electroplating; And removing the upper and lower plating molds to form a nozzle including the upper nozzle and the lower nozzle. Here, the lower plating frame and the upper plating frame is preferably made of a photoresist or photosensitive polymer.
상기 열발산층 및 상기 노즐을 형성하는 단계는, 상기 희생층 상부의 상기 보호층들을 식각하여 하부 노즐을 형성하는 단계; 상부 노즐 형성을 위한 소정 형상의 도금틀을 상기 하부 노즐의 내부에서부터 수직방향으로 형성하는 단계; 상기 보호층들 위에 상기 열발산층을 전기도금에 의해 형성하는 단계; 및 상기 도금틀을 제거하여 상기 상부 노즐과 상기 하부 노즐로 이루어지는 상기 노즐을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 도금틀은 포토레지스트 또는 감광성 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하다. The forming of the heat dissipation layer and the nozzle may include forming a lower nozzle by etching the protective layers on the sacrificial layer; Forming a plating mold having a predetermined shape for forming an upper nozzle in a vertical direction from the inside of the lower nozzle; Forming the heat dissipating layer on the passivation layers by electroplating; And removing the plating mold to form the nozzle including the upper nozzle and the lower nozzle. Here, the plating frame is preferably made of a photoresist or photosensitive polymer.
상기 하부 노즐은 상기 보호층들을 반응성이온식각에 의해 건식식각함으로써 형성될 수 있다.The lower nozzle may be formed by dry etching the protective layers by reactive ion etching.
상기 보호층들 위에는 상기 열발산층의 전기도금을 위한 시드층을 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 시드층은 적어도 하나의 금속층으로 이루어지며, 상기 금속층 각각은 구리, 크롬, 티타늄, 금 및 니켈로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 금속물질을 증착함으로써 형성될 수 있다.It is preferable to form a seed layer for electroplating the heat dissipation layer on the protective layers. The seed layer may include at least one metal layer, and each of the metal layers may be formed by depositing any one metal material selected from the group consisting of copper, chromium, titanium, gold, and nickel.
상기 열발산층을 형성하는 단계 후에는, 상기 열발산층의 상면을 화학기계적연마 공정에 의하여 평탄화시키는 것이 바람직하다.After the step of forming the heat dissipating layer, it is preferable to planarize the upper surface of the heat dissipating layer by a chemical mechanical polishing process.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설 명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings refer to like elements, and the size or thickness of each element in the drawings may be exaggerated for convenience of explanation. In addition, when one layer is described as being on top of a substrate or another layer, the layer may be present over and in direct contact with the substrate or another layer, with a third layer in between.
도 4는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다. 도 4를 참조하면, 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출부(103)들이 2열로 배치되고, 각 잉크 토출부(103)와 전기적으로 연결될 본딩 패드(101)들이 배치되어 있다. 도면에서는 잉크 토출부(103)들이 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다.4 is a schematic plan view of an inkjet printhead according to the present invention. Referring to FIG. 4, in the inkjet printhead, the
도 5는 도 4의 A부분을 확대하여 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 수직구조를 도시한 단면도이며, 도 7은 기판의 표면에 형성된 잉크 챔버 및 잉크 유로를 나타내는 기판의 일부 사시도이다. FIG. 5 is an enlarged plan view of portion A of FIG. 4, and FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a vertical structure of the inkjet printhead viewed along the line VI-VI of FIG. 5, and FIG. 7 is an ink formed on the surface of the substrate. A partial perspective view of a substrate showing the chamber and the ink flow path.
도면들을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드의 기판(100)에는 그 표면쪽에 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(106)가 소정 깊이로 형성되고, 그 배면쪽에는 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드(102)가 형성된다. Referring to the drawings, the
여기서, 잉크 챔버(106) 및 매니폴드(102)는 각각 기판(100)의 표면 및 배면을 식각하여 형성되므로, 그 형상이 다양하게 변형될 수 있다. 여기서, 상기 잉크 챔버(106)는 대략 10 ~ 80㎛의 깊이로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 잉크 챔버(106)의 아래쪽에 형성된 매니폴드(102)는 잉크를 담고 있는 잉크 저장고( 미도시)와 연결된다. Here, since the
잉크 챔버(106)와 매니폴드(102) 사이에는 이들을 서로 연결하는 잉크 유로(105)가 기판(100)의 표면쪽에 형성된다. 여기서, 잉크 유로(105)는 잉크 챔버(106)와 마찬가지로 기판(100)의 표면을 식각하여 형성된다. 따라서, 잉크 유로(105)의 형상도 다양하게 변형될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 유로(105)는 잉크 챔버(106)와 동일한 평면 상에서 기판(100)의 표면에 나란하게 형성된다. 이러한 잉크 유로(105)는 잉크 채널(105a)과 잉크 피드홀(105b)로 이루어지며, 상기 잉크 채널(105a)은 잉크 챔버(106)와 연결되고 상기 잉크 피드홀(105b)은 매니폴드(102)와 연결된다. 한편, 상기 잉크 채널(105a)은 토출 특성 등을 고려하여 복수개로 형성될 수도 있다. Between the
상기 잉크 챔버(106), 잉크 유로(105) 및 매니폴드(102)가 형성된 기판(100)의 상부에는 노즐 플레이트(120)가 마련된다. 이러한 노즐 플레이트(120)는 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)의 상부벽을 이룬다. 그리고, 이 노즐 플레이트(120)에는 잉크 챔버(106)로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(104)이 수직으로 관통되어 형성된다. A
상기 노즐 플레이트(120)는 기판(100) 상에 적층된 다수의 물질층으로 이루어진다. 이 물질층들은 제1, 제2 및 제3 보호층(121)(122)(126)과, 금속으로 이루어진 열발산층(128)을 포함한다. 그리고, 제1 보호층(121)과 제2 보호층(122) 사이에는 히터(108)가 마련되며, 제2 보호층(122)과 제3 보호층(126) 사이에는 도체(conductor,도 5의 112)가 마련된다. The
상기 제1 보호층(passivation layer,121)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 다수의 물질층 중 가장 아래쪽의 물질층으로서 기판(100)의 상면에 형성된다. 상기 제1 보호층(121)은 히터(108)와 기판(100) 사이의 절연 및 히터(108)의 보호를 위한 물질층으로서 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.The
잉크 챔버(106)의 상부의 제1 보호층(121) 위에는 잉크 챔버(106) 내부의 잉크를 가열하는 히터(108)가 형성된다. 상기 히터(108)는 복수개로 형성될 수도 있으며, 그 형성 위치나 형상을 도면에 도시된 것과 달리 할 수도 있다. 따라서, 상기 히터(108)는 노즐(104)을 둘러싸는 환상으로 형성될 수도 있다. 이러한 히터(108)는 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide) 등과 같은 발열 저항체로 이루어진다.On the first
상기 제2 보호층(122)은 제1 보호층(121)과 히터(108) 위에 마련된다. 상기 제2 보호층(122)은 히터(108)의 보호를 위하여 마련되는 것으로, 상기 제1 보호층(121)과 마찬가지로 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.The
한편, 도 6에는 도시되어 있지 않지만, 제2 보호층(122) 위에는 히터(108)와 전기적으로 연결되어 히터(108)에 펄스 형태의 전류를 인가하는 도체(도 5의 112)가 마련된다. 상기 도체(도 5의 112)의 일단부는 제2 보호층(122) 위에 형성된 컨택홀(미도시)을 통해 히터(108)와 접속되며, 그 타단부는 본딩 패드(도 4의 101)에 전기적으로 연결된다. 상기 도체(도 5의 112)는 전기 및 열 전도성이 좋은 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금이나 은으로 이루어질 수 있다.Although not shown in FIG. 6, a conductor (112 of FIG. 5) is provided on the second
상기 제3 보호층(126)은 도체(도 5의 112)와 제2 보호층(122) 위에 마련된다. 상기 제3 보호층(126)은 TEOS(Tetraethylorthosilicate) 산화물 또는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. The third
상기 열발산층(128)은 노즐 플레이트(120)를 이루는 다수의 물질층 중에서 최상부의 물질층이다. 상기 열발산층(128)은 열전도성이 양호한 금속, 예컨대 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 금(Au)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 열발산층(128)은 복수의 금속층으로 이루어질 수도 있다. 이러한 열발산층(128)은 상기한 금속물질의 전기도금에 의하여 대략 10 ~ 100㎛ 두께로 형성될 수 있다. 이를 위해, 제3 보호층(126)의 상면 및 기판(100) 표면의 양측에는 상기한 금속물질의 전기도금을 위한 시드층(seed layer,127)이 마련된다. 상기 시드층(127)은 도전성이 양호한 금속 예컨대, 구리(Cu), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 또는 니켈(Ni)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 시드층(127)은 복수의 금속층으로 이루어질 수도 있다.The
상기 열발산층(128)은 히터(108) 및 그 주변의 열을 외부로 발산시키는 기능을 한다. 즉, 잉크가 토출된 후에 히터(108) 및 그 주변에 잔류하는 열은 열발산층(128)을 통해 기판(100) 및 외부로 발산된다. 따라서, 잉크가 토출된 후에 보다 빠른 방열이 이루어지고 노즐(104) 주위의 온도가 낮아지게 되므로, 높은 구동 주파수로 안정적인 인쇄가 가능하게 된다. The
상기한 바와 같이 열발산층(128)은 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로, 노즐(104)의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있게 된다. 따라서, 안정적인 고속 인쇄가 가능하게 되고, 노즐(104)을 통해 토출되는 잉크 액적의 직진성이 향상된다. 즉, 토출되는 잉크 액적이 기판(100)에 대해 정확히 수직한 방향으로 토출될 수 있다.As described above, since the
한편, 상기 노즐(104)은 하부 노즐(104a) 및 상부 노즐(104b)로 이루어진다. 하부 노즐(104a)은 제1, 제2 및 제3 보호층(121)(122)(126)에 원통 형상으로 형성되며, 상부 노즐(104b)은 열발산층(128)에 출구쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성된다. 이와 같이, 상부 노즐(104b)이 테이퍼 형상으로 형성되는 경우에는, 잉크의 토출 후 잉크 표면의 메니스커스(meniscus)가 보다 빨리 안정되는 장점이 있다. On the other hand, the
상기와 같은 구조의 잉크젯 프린트헤드에서, 잉크가 노즐(104)을 통하여 토출되는 메카니즘을 설명하기로 한다.In the inkjet printhead having the above structure, a mechanism in which ink is discharged through the
먼저, 잉크 챔버(106)와 노즐(104) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 도체(112)를 통해 히터(108)에 펄스 형태의 전류가 인가되면 히터(108)에서 열이 발생된다. 이렇게 발생된 열은 히터(108) 아래의 제1 보호층(121)을 통해 잉크 챔버 (106)내부의 잉크로 전달되고, 이에 따라 잉크가 비등하여 버블이 생성된다. 생성된 버블은 계속적인 열의 공급에 따라 팽창하게 되고, 이에 따라 노즐(104) 내부의 잉크는 노즐(104) 밖으로 밀려나가게 된다.First, in a state where ink is filled in the
이어서, 인가했던 전류를 차단하면, 버블은 수축하여 소멸된다. 이때, 노즐(104) 밖으로 밀려 나갔던 잉크는 액적의 형태로 토출된다. 한편, 잉크 액적의 토출 후 히터(108)와 그 주변에 잔류된 열이 열발산층(128)을 통해 기판(100) 및 외부로 발산되므로, 히터(108)와 그 주변의 온도는 빠르게 낮아지게 된다.Then, when the applied current is interrupted, the bubble contracts and disappears. At this time, the ink pushed out of the
다음으로, 잉크 챔버(106)의 내부는 매니폴드(102)로부터 잉크 채널(105a) 및 잉크 피드홀(105b)을 통해 공급되는 잉크로 다시 채워진다. 잉크의 리필이 완료되어 초기 상태로 복귀하게 되면, 상기한 과정이 반복된다.Next, the interior of the
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크 유로(105)가 잉크 챔버(106)와 동일 평면 상에서 기판(100)의 표면에 나란하게 형성되므로 잉크의 역류현상을 줄일 수 있다. 그리고, 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)가 식각 방법에 의하여 형성되므로, 그 형상을 다양하게 변형할 수 있다. 따라서, 최적의 형상을 가지는 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)를 형성할 수 있다. 또한, 금속으로 이루어진 열발산층(128)은 도금 공정에 의해 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로 효과적인 방열이 이루어질 수 있다.In the inkjet printhead according to the embodiment of the present invention as described above, since the
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 8 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.Hereinafter, a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention will be described. 8 to 18 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention.
도 8은 기판(100)의 표면에 그루브를 형성한 후, 상기 기판(100)을 산화시켜 기판(100)의 표면 및 배면에 산화물층(130)(140)을 형성한 상태를 도시한 것이다.FIG. 8 illustrates a state in which oxide layers 130 and 140 are formed on the surface and the rear surface of the
먼저 본 실시예에서는, 기판(100)으로는 실리콘 웨이퍼를 대략 300 ~ 700㎛ 정도의 두께로 가공하여 사용한다. 이는 실리콘 웨이퍼가 반도체 소자에 널리 쓰이는 것으로, 대량 생산에 효과적이기 때문이다. First, in the present embodiment, a silicon wafer is processed to a thickness of about 300 to 700 µm as the
한편, 도 8에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 하나의 웨이퍼에 수십 내지 수백개의 칩상태로 제조될 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 8 shows a very small portion of the silicon wafer, the inkjet printhead according to the embodiment of the present invention can be manufactured in the state of tens to hundreds of chips on one wafer.
그리고, 준비된 실리콘 기판(100)의 상면에 식각될 부위를 한정하는 식각 마스크를 형성한다. 상기 식각 마스크는 기판(100)의 상면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포한 후, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.An etching mask defining a portion to be etched is formed on the prepared upper surface of the
이어서, 상기 식각 마스크를 통해 노출된 기판(100)을 식각하여, 소정 형상의 그루브(groove)를 형성한다. 상기 기판(100)의 식각은 반응성이온식각법(RIE; Reactive Ion Etching)과 같은 건식식각법에 의해 이루어질 수 있다. 상기 그루브는 이후에 잉크 챔버(도 6의 106) 및 잉크 유로(도 6의 105)가 형성될 부분으로서, 그 깊이는 대략 10 ~ 80㎛ 정도가 바람직하다. 한편, 이러한 그루브는 기판(100) 표면의 식각 형태에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 원하는 형상의 잉크 챔버 및 잉크 유로를 얻을 수 있다. 상기 그루브를 형성한 후에는, 기판(100) 상의 식각 마스크를 제거한다.Subsequently, the
이어서, 상기 그루브가 형성된 기판(100)을 산화시켜 기판(100)의 표면 및 배면에 각각 실리콘 산화물층(130)(140)을 형성한다.Subsequently, the
도 9는 기판(100)에 형성된 그루브의 내부에 희생층(250)을 형성한 다음, 기판(100)의 표면을 평탄화시킨 상태를 도시한 것이다.FIG. 9 illustrates a state in which a
구체적으로, 산화된 기판(100)의 표면에 형성된 그루브의 내부에 폴리 실리콘을 에피택셜(epitaxial) 방법으로 성장시켜 희생층(250)을 형성한다. 다음으로, 화학적-기계적 연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)에 의하여 상기 희생층(250)과 기판(100)의 표면을 동일한 평면으로 평탄화시킨다. 이때, 외부로 노출된 실리콘 산화물층(140)도 함께 제거된다. Specifically, the
도 10은 도 9에 도시된 결과물 전면에 제1 보호층(121)을 형성하고, 그 위에 히터(108), 제2 보호층(122), 도체(도 5의 112) 및 제3 보호층(126)을 순차적으로 적층한 상태를 도시한 것이다.FIG. 10 illustrates a first
구체적으로, 먼저 평탄화된 기판(100)의 표면에 제1 보호층(121)을 형성한다. 상기 제1 보호층(121)은 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물을 증착함으로써 이루어질 수 있다. Specifically, first, the first
이어서, 상기 제1 보호층(121) 위에 히터(108)를 형성한다. 상기 히터(108)는 제1 보호층(121)의 전표면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide) 등의 발열 저항체를 소정 두께로 증착한 다음 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 구체적으로, 폴리 실리콘은 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 저압 화학기상증착법(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의하여 대략 0.7 ~ 1㎛ 두께로 증착될 수 있으며, 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물 또는 텅스텐 실리사이드는 스퍼터링(sputtering) 이나 화학기상증착법(CVD)에 의해 대략 0.1 ~ 0.3㎛ 두께로 증착될 수 있다. 이 발열 저항체의 증착 두께는, 히터(108)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수 있다. 제1 보호층(121)의 전표면 에 증착된 발열 저항체는 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의하여 패터닝될 수 있다.Subsequently, a
다음으로, 히터(108)가 형성된 제1 보호층(121)의 전표면에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진 제2 보호층(122)을 대략 0.2 ~ 1㎛의 두께로 증착함으로써 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 제2 보호층(122)을 식각하여 도체(도 5의 112)와 접속될 부분의 히터(108)를 노출시키는 컨택홀(미도시)을 형성한다. Next, the second
이어서, 상기 제2 보호층(122)의 전표면에 전기 및 열 전도성이 좋은 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 금이나 은을 스퍼터링에 의해 대략 0.5 ~ 2㎛의 두께로 증착하고 이를 패터닝함으로써 도체(도 5의 112)를 형성한다. 그러면, 도체(도 5의 112)는 상기 컨택홀(미도시)을 통해 히터(108)와 접속된다.Subsequently, a metal having good electrical and thermal conductivity, such as aluminum, an aluminum alloy, or gold or silver, is deposited on the entire surface of the second
다음으로, 제2 보호층(122)과 도체(도 5의 112)의 상면에 제3 보호층(126)을 형성한다. 구체적으로, 상기 제3 보호층(126)은 도체(도 5의 112)와 이후에 형성될 열발산층(도 6의 128) 사이의 절연을 위한 것으로, TEOS 산화물을 플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의하여 대략 0.7 ~ 3㎛ 정도의 두께로 증착함으로써 이루어질 수 있다. Next, a third
도 11은 하부 노즐(104a)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 하부 노즐(104a)은 제3 보호층(126), 제2 보호층(122) 및 제1 보호층(121)을 반응성 이온식각법(RIE)에 의해 순차적으로 식각함으로써 형성될 수 있다. 이러한 식각 과정에 의해서 기판(100)의 표면쪽에 형성된 희생층(250)의 일부와 기판(100) 표면의 양측이 노출된다.11 shows a state in which the
도 12는 하부 노즐(104a)의 내부에 하부 도금틀(plating mold)(350)을 형성하고, 그 위에 시드층(127)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 하부 도금틀(350)은 도 11의 결과물 전표면에 포토레지스트를 소정 두께로 도포한 후 이를 패터닝하여 하부 노즐(104a) 내부에 채워진 포토레지스트만 남김으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 하부 도금틀(350)은 포토레지스트뿐만 아니라 감광성 폴리머로도 이루어질 수 있다. FIG. 12 illustrates a state in which a
이어서, 상기 단계의 결과물 전표면에 전기도금을 위한 시드층(127)을 형성한다. 상기 시드층(127)은 전기도금을 위해 도전성이 양호한 구리(Cu), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 금(Au) 또는 니켈(Ni) 등의 금속을 스퍼터링에 의해 대략 500 ~ 3000Å의 두께로 증착함으로써 이루어질 수 있다. 한편, 상기 시드층(127)은 복수의 금속층으로 이루어질 수도 있다.Subsequently, a
도 13은 상부 노즐(도 6의 104b) 형성을 위한 상부 도금틀(450)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 상부 도금틀(450)은 시드층(127)의 전표면에 포토레지스트를 도포한 뒤 이를 패터닝하여 상부 노즐(도 6의 104b)이 형성될 부위에만 포토레지스트를 잔존시킴으로써 형성될 수 있다. 한편, 상기 상부 도금틀(450)은 포토레지스트뿐만 아니라 감광성 폴리머로도 이루어질 수 있다. 상부 도금틀(450)은 위쪽으로 갈수록 그 직경이 점차 작아지는 테이퍼 형상으로 형성된다. 한편, 상부 노즐은 기둥 형상이 될 수도 있으며, 이 경우에 상부 도금틀은 기둥 형상으로 형성된다. FIG. 13 illustrates a state in which the
한편, 상기 하부 도금틀(350) 및 상부 도금틀(450)은 다음과 같은 단계를 거 쳐 형성될 수도 있다. 도 19를 참조하면, 하부 도금틀(350)을 형성하기 전에, 도 11의 결과물 전표면에 전기도금을 위한 시드층(127')을 형성한다. 이어서, 하부 도금틀(350)과 상부 도금틀(450)을 순차적으로 형성한다. 한편, 상기 하부 및 상부 도금틀(350)(450)은 일체로 함께 형성될 수도 있다. Meanwhile, the
도 14는 시드층(127)의 상면에 소정 두께의 금속물질로 이루어진 열발산층(128)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 열발산층(128)은 열전도성이 양호한 금속, 예컨대 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 금(Au)을 시드층(127) 표면에 전기도금시켜 대략 10 ~ 100㎛ 두께로 형성될 수 있다. 이때, 상기 열발산층(128)은 복수의 금속층으로 이루어질 수도 있다. 전기도금 공정은 상부 도금틀(450)의 높이보다 낮고 원하는 상부 노즐의 출구 단면적이 형성되는 높이까지 열발산층(128)이 형성되는 시점에서 종료된다. 이 열발산층(128)의 두께는 상부 노즐의 단면적과 단면형상. 기판(100) 및 외부로의 방열 능력 등을 고려하여 적정하게 정해질 수 있다.FIG. 14 illustrates a state in which a
전기도금이 완료된 후의 열발산층(128)의 표면은 그 아래에 형성된 물질층들에 의해 요철을 갖게 된다. 따라서, 화학기계적 연마(CMP)에 의해 열발산층(128)의 표면을 평탄화할 수 있다.After the electroplating is completed, the surface of the
이어서, 상부 도금틀(450)과, 상부 도금틀(450) 아래의 시드층(127)과, 하부 도금틀(350)을 순차적으로 제거한다. 상기 상부 및 하부 도금틀(450)(350)은 통상적이 포토레지스트 제거방법에 의해 제거될 수 있다. 상기 시드층(127)은 열발산층(128)을 이루는 금속물질과 시드층(127)을 이루는 금속물질과의 식각 선택 성을 고려하여 시드층(127)만을 선택적으로 식각할 수 있는 식각액을 사용하는 습식식각에 의해 식각될 수 있다. 예컨대, 시드층(127)이 구리(Cu)로 이루어진 경우에는 초산 베이스 식각액에 의해, 그리고 시드층(127)이 티타늄(Ti)으로 이루어진 경우에는 HF 베이스 식각액을 사용할 수 있다. 그러면, 도 15에 도시된 바와 같이, 하부 노즐(104a)과 상부 노즐(104b)이 연결되어 완전한 노즐(104)이 형성되고, 다수의 물질층이 적층되어 이루어진 노즐 플레이트(120)가 완성된다. 이때, 잉크 챔버(도 6의 106) 및 잉크 유로(도 6의 105)를 형성할 공간에 채워져 있던 희생층(250)의 일부 표면이 노즐(104)을 통해 노출된다. Subsequently, the
도 16은 기판(100)의 배면에 매니폴드(102)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 실리콘 기판(100)의 배면에 형성된 실리콘 산화물층(130)을 패터닝하여 식각될 영역을 한정하는 식각마스크를 형성한다. 다음으로, 상기 식각마스크에 의해 노출된 실리콘 기판(100)을 에칭액(etchant)으로 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화칼륨(KOH; potassium hydroxide)를 사용하여 습식식각하면, 도시된 바와 같이 측면이 경사진 매니폴드(102)가 형성된다. 한편, 상기 매니폴드(102)는 기판(100)의 배면을 이방성 건식식각함으로써 형성될 수도 있다.FIG. 16 illustrates a state in which the
도 17은 기판(100)의 표면에 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)는 희생층(도 16의 250)을 등방성 식각함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로, XeF2 가스 또는 BrF3 가스를 식각가스로 사용하여 노즐(104)을 통하여 노출된 희생층(도 16의 250)을 소정 시간 동안 건식식각한다. 이때, 희생층(도 16의 250)의 식각은 등방성 식각에 의해 이루어지므로, 희생층(도 16의 250)은 노즐(104)을 통하여 노출된 부분으로부터 모든 방향으로 동일한 속도로 식각된다. 그러나, 식각 저지벽(etch stop)으로서의 역할을 하는 실리콘 산화물층(140)에서 더 이상의 식각이 저지된다. 이에 따라, 도시된 바와 같이 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)가 동일 평면상에서 기판(100)의 표면에 나란하게 형성된다. 여기서, 기판(100)의 표면에 형성되는 잉크 챔버(106) 및 잉크 유로(105)의 깊이는 대략 10 ~ 80㎛ 정도가 된다. 상기 잉크 유로(105)는 잉크 챔버(106)와 연결되는 잉크 채널(105a)과, 매니폴드(102)와 연결되는 잉크 피드홀(105b)로 구성된다. 17 illustrates a state in which the
도 18은 기판(100)에 형성된 잉크 유로(105)와 매니폴드(102)를 연결한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 기판(100)의 표면에 형성된 잉크 유로(105)와 기판(100)의 배면에 형성된 매니폴드(102) 사이에 있는 실리콘 산화물층(140)을 선택적 식각방법에 의하여 제거하면, 잉크 유로(105)와 매니폴드(102)가 연결된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.FIG. 18 illustrates a state in which the
도 20 내지 도 22는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 다른 과정을 도시한 단면도들이다. 이 제조방법은 제1 희생층을 형성하는 단계를 제외하고는 전술한 잉크젯 프린트헤드의 제조방법과 동일하므로, 이하에서는 제1 희생층을 형성하는 단계만을 설명하기로 한다.20 to 22 are cross-sectional views showing another process of manufacturing the inkjet printhead according to the present invention. This manufacturing method is the same as the manufacturing method of the inkjet printhead described above except for forming the first sacrificial layer, and only a step of forming the first sacrificial layer will be described below.
먼저 본 제조방법에서는, 도 20에 도시된 바와 같이 기판으로 두 실리콘 기판(310,330) 사이에 절연층(320)이 개재된 SOI(Silicon on Insulator) 기판(300) 이 사용된다. 여기서, 상부 실리콘 기판(330)의 두께는 대략 10 ~ 80㎛ 이며, 하부 실리콘 기판(310)의 두께는 대략 300 ~ 700㎛ 이다. First, as shown in FIG. 20, a silicon on insulator (SOI)
다음으로, 도 21에 도시된 바와 같이 상부 실리콘 기판(330)의 표면을 식각하여 절연층(320)이 노출되도록 소정 형상의 트렌치(340)를 형성한다. 상부 실리콘 기판(330)의 식각은 반응성이온식각법(RIE)과 같은 건식식각법에 의해 이루어질 수 있다. 상기 트렌치(340)는 잉크 챔버(도 6의 106) 및 잉크 유로(도 6의 105)가 형성될 부위를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 그 폭은 그 내부에 소정의 물질이 용이하게 채워질 수 있도록 수㎛ 정도로 형성된다. Next, as shown in FIG. 21, the surface of the
다음으로, 도 22에 도시된 바와 같이 상기 트렌치(340)에 실리콘 산화물(370)을 채운 다음 상부 실리콘 기판(330)의 표면을 평탄화시킨다. 이에 따라, 상기 실리콘 산화물(370)에 의하여 둘러싸인 부분이 잉크 챔버(도 6의 106) 및 잉크 유로(도 6의 105)의 형성을 위한 희생층(250')이 된다. 따라서, 본 제조방법에 의하여 형성된 희생층(250')은 전술한 폴리 실리콘과는 달리 실리콘으로 이루어져 있다. Next, as shown in FIG. 22, the
이후의 단계들은 전술한 도 10 내지 도 18에 도시된 단계들과 동일하다. Subsequent steps are the same as those shown in FIGS. 10 to 18 described above.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and equivalent other embodiments are possible.
따라서, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 각 요소는 예시된 물질과 다른 물질이 사용될 수 있으며, 각 물질의 적층 및 형성 방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법 및 식각방법이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프 린트헤드의 제조방법에 있어서, 각 단계의 순서는 경우에 따라서 예시된 바와 달리할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Therefore, each element of the inkjet printhead according to the present invention may be a material different from the materials exemplified, and the method of laminating and forming each material is merely illustrative, and various deposition methods and etching methods may be applied. In addition, in the method of manufacturing an inkjet printhead according to the present invention, the order of each step may be different from that illustrated in some cases. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.As described above, the inkjet printhead and its manufacturing method according to the present invention have the following effects.
첫째, 잉크 유로를 잉크 챔버와 동일 평면상에서 기판의 표면에 나란하게 형성함으로써, 잉크의 역류 현상에 따른 토출 불량 등을 방지하여 프린트헤드의 성능을 향상시킬 수 있다.First, by forming the ink flow path in parallel with the surface of the substrate on the same plane as the ink chamber, it is possible to prevent the poor discharge due to the backflow of the ink, thereby improving the performance of the printhead.
둘째, 열발산층이 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로, 노즐의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있다. 이에 따라, 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 비행 직진성을 향상시킬 수 있다.Second, since the heat dissipation layer can be formed to a thick thickness, it is possible to ensure the length of the nozzle long enough. Thereby, the flight straightness of the ink droplet discharged through a nozzle can be improved.
셋째, 금속물질로 이루어진 열발산층을 통해 히터 및 그 주변에 잔류하는 열을 기판 및 외부로 발산시킴으로써 효과적인 방열이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 노즐 부위의 온도 상승을 억제할 수 있고, 그 결과 구동 주파수를 향상시킬 수 있다. Third, effective heat dissipation may be achieved by dissipating heat remaining in the heater and its surroundings to the substrate and the outside through a heat dissipating layer made of a metal material. Thereby, the temperature rise of a nozzle site | part can be suppressed and as a result, a drive frequency can be improved.
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