KR100838955B1 - 잉크젯 프린트헤드 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트헤드를 제조하는 기법은 프린트헤드 기판(102)을 제공하는 것과, 기판 상에 박막 구조물(101)을 제조하는 것과, 피드 슬롯(feed slot)이 형성될 기판의 표면 영역에 브레이크 트렌치(break trench)를 형성하는 것과, 피드 슬롯을 형성하기 위해 브레이크 트렌치를 통해 기판을 후속하여 연마 가공(abrasively machining)하는 것을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 브레이크 트렌치는 박막 구조물에 장벽층을 도포하기 전에, 에칭 공정에 의해 형성될 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드 제조 방법{SLOTTED SUBSTRATES AND TECHNIQUES FOR FORMING SAME}
도 1a는 프린트헤드 제조 공정의 제 1 단계 이후, 즉 실리콘 기판 상에 잉크젯 박막 구조물을 형성한 이후의 프린트헤드 구조물에 대한 정면도,
도 1b는 제조 공정의 또다른 단계, 즉 TMAH 에칭 공정을 수행하여 슬롯 브레이크 트렌치를 형성한 이후의, 도 1a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 2a는 본 발명의 제조 공정의 제 1의 대안적인 실시예에 대한 정면도로서, 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판 상부를 도시한 도면,
도 2b는 이러한 대안적인 실시예를 위해 TMAH 에칭 공정을 수행한 이후의, 도 2a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 3a는 프린트헤드 제조 공정의 제 2의 대안적인 실시예에 대한 정면도로서, 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판 상부를 도시한 도면,
도 3b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성한 이후의, 도 3a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 4a는 프린트헤드 제조 공정의 제 3의 대안적인 실시예에 대한 정면도로서, 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판 상부를 도시한 도면,
도 4b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성하고, 장벽층을 도포한 이후의, 도 4a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 5a는 제 4의 대안적인 실시예에 대한 정면도로서, 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판 상부를 도시한 도면,
도 5b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성하고, 장벽층을 도포한 이후의, 도 5a의 라인 5B-5B를 따라 취해진 도 5a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 5c는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성하고, 장벽층을 도포한 이후의, 도 5a의 라인 5C-5C를 따라 취해진 도 5a의 프린트헤드 구조물의 단면도,
도 6a는 또다른 실시예의 기판에 대한 개략적인 정면도로서, 칩 중지 바로서 기능하는 트렌치가 코너에 접속되지 않은 것을 도시한 도면,
도 6b는 도 6a의 라인 6B-6B를 따라 취해진 단면도,
도 7a는 브레이크 트렌치 공정의 또다른 실시예의 정면도로서, 상부 및 하부 칩 중지 바가 생략된 것을 제외하고는 도 6a의 실시예와 유사한 도면,
도 7b는 도 7a의 라인 7B-7B를 따라 취해진 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 프린트헤드 구조물 102 : 기판
112 : 장벽층 124 : 브레이크 트렌치
126 : 드릴 슬롯
본 발명은 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead) 등에서 사용되는 것과 같은 기판에 관한 것이다.
다양한 잉크젯 프린팅 방법이 본 기술 분야에 알려져 있으며, 열적으로 작용되는 프린트헤드 및 기계적으로 작용되는 프린트헤드를 포함한다. 열적으로 작용되는 프린트헤드는 저항성 소자(resistive element) 등을 사용하여 잉크 분출(ink expulsion)을 달성하는 반면, 기계적으로 작용되는 프린트헤드는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer) 등을 사용하는 경향이 있다.
대표적인 열 잉크젯 프린트헤드는 반도체 기판 상에 제공된 다수의 박막 저항(resistor)을 갖는다. 기판 상에 노즐판(nozzle plate) 및 장벽층이 제공되어 각 저항에 관한 점화실(firing chamber)을 규정한다. 저항을 통한 전류 또는 "점화 신호(fire signal)"의 전달은, 대응하는 점화실 내의 잉크가 가열되어 적절한 노즐을 통해 분출되도록 한다.
전형적으로, 잉크는 반도체 기판에서 가공되는 피드 슬롯(feed slot)을 통해 점화실로 전달된다. 일반적으로, 기판은 직사각형이며, 그 안에 슬롯이 길이 방향으로 배치된다. 전형적으로, 저항은 슬롯의 양 측면 상에 배치된 행(row)에 배열되며, 각 저항에서의 잉크 채널 길이가 대략적으로 동일하도록, 바람직하게 슬롯으로부터 대략적으로 동일한 거리만큼 이격된다. 프린트헤드가 한 번 통과(pass)으로써 얻어진 프린트 스와스(swath)의 폭은 저항 행의 길이와 대략 동일하고, 저항 행의 길이는 슬롯의 길이와 대략 동일하다.
전형적으로, 피드 슬롯은 샌드 드릴링(sand drilling)("샌드 슬로팅(sand slotting)"으로도 알려져 있음)에 의해 형성되어 왔다. 이 방법은 신속하고, 비교적 단순하며 스케일러블(scalable)(많은 기판들을 동시에 처리할 수 있음) 공정이기 때문에 바람직하다. 샌드 슬로팅은 이와 같은 현저한 이점들을 제공하기는 하지만, 반도체 기판에서 기판 파괴 강도(fracture strength)를 크게 감소시켜, 결국 균열된 다이(cracked die)로 인해 수율 손실(yield loss)을 증가시키는 미세한 균열을 발생시킨다는 점에서 바람직하지 않다. 낮은 파괴 강도는 기판 길이를 또한 제한하며, 그것은 프린트 스와스 높이 및 전체 프린트 속도에 악영향을 미친다.
다른 기법은 초음파 다이아몬드 비트 드릴링(ultrasonic diamond bit drilling), 연마 샌드 분사(abrasive sand blasting), YAG 레이저 가공(laser machining), KOH 에칭, TMAH 에칭 및 건식 플라즈마(dry plasma) 에칭을 포함한다.
초음파 다이아몬드 비트 드릴링은 단지 원형의 홀(hole)을 가공하는 데에만 적합하다. 더욱이, 이러한 공정은 관통 홀(through hole)의 입력측과 출력측 모두의 유리 및 실리콘에 대해 커다란 칩을 생성한다. 이들 칩은 너무 크기 때문에(수 백 미크론(micron)), 저항이 잉크 피드 슬롯에 근접할 수 없다.
또한, 연마 샌드 분사는, 스루(through) 슬롯의 출력측 부근 웨이퍼의 칩핑(chipping)으로 인해, 칩핑 문제점을 갖는다. 이러한 칩핑은 두 가지의 개별적인 문제를 발생시킨다. 일반적으로, 칩핑은 수 십 미크론 크기이며, 점화실이 슬롯의 에지에 근접하여 위치될 수 있는 정도를 제한한다. 때때로, 칩핑은 보다 커지게 되고, 제조 공정에서의 수율 손실의 원인이 된다. 칩핑 문제는 원하는 슬롯 길이가 증가하고 원하는 슬롯 폭이 감소됨에 따라 더욱 현저해진다. 이러한 공정에서의 결과적인 슬롯의 형상은 여러 가지 요인에 의해 제어된다. 슬롯 에지 위치의 변화는 잉크 흐름 저항 변화의 원인이 된다. 슬롯 위치는 거친(harsh) 환경에서 기계적으로 제어되며, 그에 따라 슬롯 위치지정의 정확성 및 반복성이 약 +/-15 미크론으로 제한된다.
YAG 레이저 가공 또한 단점을 갖는다. 레이저 시스템은 구입 및 유지 비용이 고가이다. 비교적 작은 레이저 빔은 원하는 슬롯 영역의 주변부 부근에서의 "움직임(paned)", 즉 이동이 필요하며, 웨이퍼를 절단하기 위해 여러 번의 통과(pass)과 필요하다. 레이저는 레이저 에너지가 집속되는 소형 스폿(spot)(직경이 약 10 - 50 미크론)을 생성한다. 이러한 소형 활성(active) 영역은 레이저가 펄스(pulse)되는 동안 레이저 스폿이 그 영역의 주변부 부근에서 이동되어 절단될 것을 요구한다. 예시적인 실시예에서 670 미크론의 공칭 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼를 완전히 절단하기 위해서는 각각의 주변부 위치에서 많은 레이저 펄스가 취해진다. 전형적인 웨이퍼 공정 시간은 2 내지 3 시간이며, 이것은 시스템 성능을 제한한다. 레이저가 실리콘을 태움에 따라, 실리콘이 녹아, 기화되지 않은 영역이 절단부 부근에 있게 된다. 이러한 녹은 실리콘은 드릴 슬롯의 에지 부근에 뿌려져 부품 부착 문제를 발생시키고, 나중에 벗어나서 잉크 피드 경로를 막히게 할 수 있는 글로뷸(globule) 또는 슬래그(slag)를 남기게 된다. 레이저 절단 부분 근처의 영역은 박막 및 장벽 재료에 손상을 입히기에 충분한 열을 받게 된다.
KOH(Potassium hydroxide) 에칭은 박막에 손상을 입힐 수 있는데, 그 이유는 KOH는 실리콘을 에칭하고, 여러 가지 타입의 잉크젯 프린트헤드에 사용된 박막을 파괴할 부식성의 염기성 화학 약품(corrosive basic chemical)이기 때문이다. KOH 에칭에 의해 박막이 파괴되는 것을 피하기 위해, 박막 공정 이전에 에칭 공정이 수행될 필요가 있다. 이러한 공정 순서는 트렌치된 웨이퍼가 여러 가지 박막 공정 도구에 의해 처리될 수 없게 하므로 문제를 발생시킨다. 이방성 에칭의 경우, 상이한 결정 평면(crystalline plane)에 대해서는 에칭 속도(etch rate)가 상이하므로, 결정 평면에 의해 에칭 기하 구조(etch geometry)가 규정된다. 에칭 각(etch angle)은 슬롯의 뒷면 개방부(backside opening)가 매우 커지게 하며, 슬롯이 서로에 대해, 그리고 다이의 에지에 대해 근접하게 위치될 수 있는 정도를 제한한다.
TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)는 실리콘에 대한 다른 이방성 에칭제이다. <100> 실리콘 상에서의 TMAH 에칭 기법은 슬롯의 뒷면 개방부가 매우 커지게 하는 에칭 각을 이용하므로, 슬롯이 서로에 대해, 그리고 다이의 에지에 대해 근접하게 위치될 수 있는 정도를 제한한다. 이방성 에칭에서, TMAH 에칭 속도는 상이한 결정 평면에 대해 상이하므로, 결정 평면에 의해 에칭 기하 구조가 규정된다. 에칭 속도는 단지 분당 약 1 미크론이다. 전형적인 웨이퍼 에칭 속도는, 양 측면으로부터 에칭되는 경우에는 약 8 시간, 한쪽 측면으로부터 에칭되는 경우에는 약 12 시간이다. 웨이퍼는 배치(batch) 처리될 수 있다. 연장된 에칭 시간의 결과로서, 차단막(masking film)이 완전히 언더컷팅(undercut)된다. 이들 막은 쪼개질 수 있으며, 펜(pen)에서의 잉크 흐름을 차단할 수 있는 유동 오염물이 될 수 있다. 웨이퍼의 에지 부근의 에칭 차단 산화물은 웨이퍼 공정 동안 부스러져 손상된다. 웨이퍼 상의 산화물층이 손상되는 경우, 에칭이 발생되어, 후속 공정 단계에서 웨이퍼 취성(fragility) 및 처리에 대한 문제점의 원인이 된다. 웨이퍼 내의 슬롯은 장벽 재료의 박막화(thinning)를 발생시킨다.
건식 플라즈마 에칭 기법은 비교적 느린 에칭 속도를 이용한다. 에칭 속도는 단지 분당 약 2 미크론이다. 전형적인 웨이퍼 에칭 속도는 양 측면으로부터 에칭되는 경우에는 약 3 시간, 한쪽 측면으로부터 에칭되는 경우에는 약 6 시간이다. 웨이퍼는 배치 처리될 수 없다. 장시간의 에칭은 잉크젯에 사용되는 박막에 손상을 입힌다. 건식 플라즈마 에처(etcher)는 매우 고가이다. 웨이퍼 내의 슬롯은 장벽 재료의 박막화를 발생시킨다.
프린트헤드 기판을 제공하고, 기판 상에 박막 구조물을 제조하고, 피드 슬롯이 형성될 기판의 표면 영역에 브레이크 트렌치를 형성하고, 피드 슬롯을 형성하기 위해 브레이크 트렌치를 통해 기판을 후속하여 연마 가공하는 것을 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법이 기술된다.
본 발명의 일측면에 따르면, 에칭 공정에 의해 브레이크 트렌치가 형성된다. 바람직한 실시예에서, 에칭 공정은 박막 구조물에 장벽층을 도포하기 전에 수행된다.
본 발명의 이들 및 다른 특성과 이점은 첨부 도면에 기술된 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 측면에 따른 공정의 예시적인 실시예는 잉크젯 프린트헤드 구성시에 지금까지 이용된 박막 재료 및 공정을 이용한다. 이러한 공정에 대한 변경은 본 발명의 이러한 측면에 따른 트렌치의 TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide) 에칭을 위해 원하는 영역에서 실리콘 웨이퍼가 커버되지 않도록 포토마스크 세트 상에서의 아트워크(artwork)의 재설계를 수반한다. TMAH는 실리콘에 대한 이방성 에칭제이다. 이방성 에칭의 경우, 상이한 결정 평면에 대해 에칭 속도가 상이하므로, 결정 평면에 의해 에칭 기하 구조가 규정된다. 이러한 트렌치의 에칭은 박막 공정이 종료된 후에, 그리고 장벽 재료가 도포되기 전에 발생된다. 이러한 TMAH 에칭 공정은 몇 가지 짧은 단계를 포함하며, 다음과 같다.
1. BOE(Backside Oxide Etch)에서의 웨이퍼 표면 클리닝(cleaning).
2. 탈이온수(De-ionized water) 세정(rinse).
3. TMAH 에칭.
4. 탈이온수 세정.
그 후, 웨이퍼는 펜 구성을 완료하도록 현재 공정에 맡겨진다. 연마 드릴 공정은 트렌치 설계와 함께 작업하는데 요구되는 형상 및 크기에 매칭되도록 튜닝(tunning)된다. 프린트헤드를 생성하기 위한 간략화된 공정 흐름은 각 공정에 대해 다음과 같다.
1. 잉크젯 박막 구조물 생성.
2. TMAH 에칭 공정 수행.
3. 박막 E-테스트.
4. 장벽 도포 및 패터닝.
5. 연마 가공으로 잉크피드 슬롯(Inkfeed Slot) 생성.
6. 오리피스(orifice) 부착.
7. 웨이퍼 제재(sawing).
8. 플렉스 회로(Flex Circuit)에 프린트헤드 부착.
단계 1, 3-8은 전술한 최신 공정에서의 단계이다. 단계 2는 전술한 새로운 트렌치 에칭 단계이다.
본 발명의 측면은 다음과 같은 것을 포함하는 몇 가지의 문제점을 해결한다. 일반적으로 연마 가공 공정에 의해 발생되는 칩핑이 포함되며 주변부 에칭 트렌치(perimeter etch trench)에 의해 중지된다. 여러 경우에 있어서, 에칭 트렌치는 균열 위치 사이트를 규정한다. 따라서, 슬롯 에지가 저항에 보다 가까이 이동될 수 있어, 슬롯 폭 및 길이에 관계없이, 낮은 스크랩(scrap) 속도와 더불어 고속의 잉크 리필(rifill) 속도를 제공한다.
슬롯 또는 트렌치 형상은 포토리소그래피 공정 및 트렌치 형상을 규정하는 실리콘의 결정 평면을 통해 정확하게 반복적으로 규정될 수 있다. TMAH는 상이한 결정 평면에 대해 매우 상이한 에칭 속도를 갖는다. 이러한 사실로 인해, 실리콘 웨이퍼의 표면에서의 <100> 평면으로부터의 에칭을 위해, 에칭은 <111> 평면에 도달할 때까지 웨이퍼 내로 하향 진행할 것이다. <111> 평면은 <100> 평면에 대해 53°각도에 있으며, 따라서 단면이 "V" 형상인 노치(notch)를 에칭할 것이다. <100> 평면 상에서, <111> 평면은 90°각도로 가로지르며, 따라서 "V" 트렌치 단면을 갖는 트렌치로 사각형 또는 직사각형 패턴이 분자 레벨로 쉽게 형성될 수 있다. 또한, 트렌치 위치를 규정하는 포토리소그래피 공정은 트렌치 슬롯 에지 위치가 정확하게 반복적으로 위치되도록 한다.
에칭된 실리콘 트렌치는 얕으며, 비교적 신속하게 에칭된다. 전형적인 웨이퍼 에칭 시간은, 25 웨이퍼 배치에 대해 20-50 분이다. 전형적인 연마 드릴 시간은 50-70 분이다. 에칭 시간은 웨이퍼 에지에 중대한 손상이 발생되지 않도록 충분히 짧다. 이러한 공정은 주변의 박막 또는 잉크젯 재료에 손상을 발생시키는 정도의 충분한 열을 발생하지 않는다.
장벽 박막화는 이러한 공정 기법에 의해 사용된 좁고, 비교적 얕게 에칭된 트렌치에 의해 최소화된다. TMAH 에칭 및 비교적 짧은 에칭 시간에 의해 잉크젯 프린트헤드 상의 박막에 대한 손상이 방지된다. 에칭된 트렌치 외부의 칩핑의 제어는 칩핑으로 인한 박막 손상을 최소화한다.
이하 기술된 도 1a-7에 수 개의 예시적인 트렌치 설계가 도시되어 있으며, 유사한 참조 번호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
브레이크 트렌치 슬롯 실시예(도 1a-1b)
브레이크 트렌치 실시예에서, 연마 가공 공정 이전에, 잉크 피드 슬롯 영역의 주변부 부근에 v 트렌치가 에칭된다. 이러한 트렌치는 연마 가공, 본 실시예에서는 연마 드릴 공정을 위한 브레이크 스루(breakthrough) 위치를 제어하기 위한 균열 개시 사이트로서 작용한다. 또한, 이러한 트렌치는 연마 드릴 공정에 의해 형성되는 얕은 칩핑의 전달을 중지시킨다.
도 1a는 제조 공정의 제 1 단계 이후, 즉 실리콘 기판 상에 잉크젯 박막 구조물을 형성한 이후의 프린트헤드 구조물(100)에 대한 정면도이다. 도 1b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 형성한 이후 및 장벽층(112)이 도포된 이후의 프린트헤드 구조물(100)의 단면도이다.
프린트헤드 구조물(100)은 도 1b에서 참조 번호(101)로서 일반적으로 도시된 박막 구조물을 제조하기 위해, 다양한 패터닝된 층이 형성되는 실리콘 기판(102)을 포함한다. 박막 구조물의 세부 사항은 특정의 프린트헤드 설계에 따라 변할 것이다. 도 1a-1b는 예시적인 박막 구조물을 규정하는 패터닝된 일부 층들의 간략화된 형태를 도시한다. 이들은 필드 산화물층(104)과, 폴리실리콘층(106)과, 실리콘 탄화물(carbide) 및 실리콘 질화물층을 포함하는 패시베이션층(108)과, 탄탈층(tantalum layer)(110)을 포함하며 프린트헤드에 대한 가열 저항(heating resistor)을 규정한다. 도시되지는 않았지만, 예로서 배선 트레이스(wiring trace)를 규정하는 알루미늄층이 있다.
프린트헤드에 대한 원하는 피드 슬롯의 위치는 도 1a에서의 점선(120)에 의해 표시되며, 이것은 원하는 슬롯의 주변부를 나타낸다. 프린트헤드에 대한 피드 슬롯을 제공하기 위해, 이러한 점선(120) 안쪽의 프린트헤드 재료는 제거된다. 피드 슬롯 영역 내의 필드 산화물(FOX)층은 TMAH 트렌치 에칭 공정을 위한 준비시에 TMAH 에칭에 대한 마스크로서 기능할 것이며, 점선(120) 부근의 영역(122)에서 제거된다. 전형적으로, FOX 층을 제거하여 열 잉크젯 제조 공정에서 실리콘에 대한 기판 콘택트를 획득한다. 그러나, 과거에, FOX 층은 잉크 피드 슬롯 영역에서 유지되었다. TMAH는 FOX 층을 에칭하지 않을 것이며, 따라서 실리콘 기판의 에칭이 가능하도록 FOX는 선택적으로 제거될 필요가 있다. 콘택트 에칭을 위한 포토마스크 설계는 기판 콘택트 및 브레이크 트렌치에 대해 FOX가 동시에 제거되도록 종래의 설계로부터 변경된다. 그 후, 이러한 영역은 브레이크 트렌치를 생성하기 위한 TMAH 에칭 공정으로 진행하기 전에, 남아 있는 박막 공정 동안에 개방된 채로 유지된다.
이와 달리, TMAH 에칭 공정에 대한 마스크로서 FOX 층을 이용하는 대신에, 이러한 목적을 위해 패시베이션층(SiN/SiC)을 이용할 수 있다. 예시적인 다른 실시예에서, 이러한 패시베이션층을 연장하여, 약 3 미크론 만큼 FOX 층의 에지와 중첩되도록 한다.
TMAH 에칭 공정 이후, 기판(102)에 브레이크 트렌치(124)(도 1b)가 형성된다. 예시적인 실시예에서, 트렌치의 폭 및 깊이는 상이한 슬롯 크기 또는 응용에 대해 상이할 수 있으나, 트렌치는 58 미크론의 타겟 깊이에 대해 80 미크론의 폭을 갖는다. 이제, 제조 공정에서의 나머지 단계 3-8이 수행될 수 있다. 이들은 박막 구조물의 전자 테스트와, 장벽층(112)(도 2b)의 도포 및 패터닝을 포함한다. 전형적으로, 장벽층은 폴리머층(polymer layer)이다.
프린트헤드 구조물 상에 장벽층이 제조된 후, 연마 가공에 의해, 즉 이 경우에는 드릴 슬롯(126)을 따라 (박막층 측면으로부터 반대 측면의) 기판(102)의 하부측으로부터 연마 드릴링함에 의해 잉크 피드 슬롯이 생성된다. 예시적인 실시예에서의 연마 드릴링 공정은 미세한 알루미늄 산화물 연마제를 고압 에어 스트림(high-pressure air stream)에 혼합하는 샌드 분사 시스템을 이용한다. 그 후, 연마제 및 에어의 혼합물은 노즐로 펌핑되고, 노즐은 기판 내에 원하는 절단 프로파일을 생성하도록 크기 및 형상이 정해진다. 연마 드릴링 절단 시간, 절단 압력 및 실리콘 기판에 대한 노즐 분리를 조절하여, 실리콘 기판을 통해 적절한 슬롯을 획득한다.
바람직하게, 드릴 슬롯(126)은 트렌치(124)의 하부로 들어간다. 이제, 도 1a에서 참조 번호(102A)로서 나타낸, 드릴 슬롯 내에 포함된 기판 재료는 기판의 나머지 부분으로부터 완전히 분리되며, 프린트헤드에 대한 피드 슬롯을 생성하도록 제거될 수 있다.
이제, 프린트헤드 구조물(100)에 대하여, 프린트헤드 펜 몸체에 대한 부착을 위해, 오리피스 판 부착, 웨이퍼 제재 및 유연 회로, 즉 전형적으로 TAB 회로에 대한 프린트헤드의 부착을 포함하는 나머지 제조 단계를 수행할 수 있다.
브레이크 트렌치 및 드릴 가이드 트렌치 슬롯 실시예(도 2a-2b)
본 실시예에서, 보다 깊은 "드릴 가이드(drill guide)"를 따라 초기 브레이크 스루가 발생되고, 그 후 주변부 에칭 트렌치까지 진행한다. 주변부 에칭 트렌치는 기본적으로 칩 중지 피처(chip stop feature)로서 사용된다. 따라서, 이러한 공정에 의해, 샌드 슬로팅 공정은 우선적으로 중심 트렌치의 위치에서 웨이퍼를 우선 브레이크 스루할 것이다. 그 후, 샌드 슬로팅은 스루 슬롯이 외부 브레이크 트렌치의 크기로 성장할 때까지 계속될 것이다. 칩 중지 피처는 트렌치의 내부 벽을 브레이크 스루하여 얕은 칩이 종료되도록 함으로써, 얕은 칩의 전달을 중지시킬 것이다. 칩 또는 균열이 내부 벽을 브레이크 스루하는 경우, 칩은 갭을 통해 스트레스를 전달할 수 없으므로 중지할 것이다.
도 2a는 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판(102) 상부에 대한 정면도이다. 도 2a에 도시된 구조물은 도 1a에 도시된 구조물과 유사하지만, 피드 슬롯의 위치 중심에서의 필드 산화물층이 제거됨으로써, 실리콘 기판 표면이 (122A)에서 또한 노출된다. 그 후, TMAH 트렌치 에칭 공정이 수행되어, 중심 영역(122A)에서의 보다 깊은 드릴 가이드 트렌치(132) 뿐만 아니라, 점선(120)(도 2a)의 윤곽을 따르는 주변부 에칭 트렌치(134)를 규정한다. 예시적인 실시예에서, 주변부 에칭 트렌치는 최대 깊이에서 대략 60 미크론의 폭 및 43 미크론의 깊이를 가지며, 드릴 가이드 트렌치는 최대 깊이에서 대략 80 미크론의 폭 및 53 미크론의 깊이를 갖는다.
에칭 마스크의 폭은 TMAH에 의해 생성된 트렌치의 터미널 깊이를 결정할 것이다. 이것은 실리콘 결정 구조물에서의 <111> 평면의 낮은 에칭 속도로 인한 것이다. <111> 평면이 날카로운 "V"에서 종료될 때, 얕은 주변부 에칭 트렌치는 중지 포인트에 도달할 것이다. 보다 넓은 중심 트렌치는 이러한 종료 포인트에 도달하지 않을 것이며, 보다 높은 에칭 속도로 에칭을 계속할 것이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, TMAH 에칭 공정이 수행되고, 2 개의 트렌치(132, 134)가 형성된 후, 제조 공정에서의 나머지 단계들이 수행된다. 연마 드릴링은 드릴 슬롯(136)을 따라 진행되고, 실리콘 기판(102)의 초기 브레이크 스루는 보다 깊은 드릴 가이드 트렌치(132)를 따라 발생된다. 그 후, 재료의 제거는 주변부 에칭 트렌치(134)까지 진행한다. 스루 트렌치의 크기는 기계적인 샌드 슬로팅 공정에 의해 결정될 것이다.
중심 트렌치 풀 슬롯 실시예(도 3a-3b)
본 실시예에서, 연마 드릴 슬롯은 TMAH 에칭 트렌치의 중심에 위치되기에 충분히 작으며, 트렌치의 경사진 측면들은 칩핑을 포함하고, 슬롯 형상 및 위치를 규정하는데 사용된다.
도 3a는 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판 상부를 도시한 정면도이다. 도 3b는 TMAH 에칭 공정을 수행하고, 장벽층(112)이 도포된 이후의 기판의 단면을 도시한다. 도 3a에 도시된 구조물은 도 1a에 도시된 구조물과 유사하지만, 피드 슬롯의 위치에서의 필드 산화물층(104)이 에지 근처에서 제거되어, 필드 산화물층의 경계 영역(104C)을 남김으로써, 실리콘 기판 표면이 영역(156)에서 또한 노출되도록 한다. 그 후, TMAH 트렌치 에칭 공정이 수행되어, 점선(120)(도 3a)의 윤곽을 따르는 에칭 트렌치(152)를 규정한다.
TMAH 에칭 공정이 수행되고, 트렌치(152)가 형성된 후, 제조 공정에서의 남아 있는 단계들이 수행된다. 연마 드릴링은 드릴 슬롯(154)을 따라 발생되고, 드릴 슬롯 내부의 재료 제거는 잉크 충진 슬롯(ink fill slot)을 제공한다. 본 실시예는 몇몇 응용에서 처음 2 개의 실시예보다 좁은 충진 슬롯을 제공할 수 있다.
중심 트렌치 다수 슬롯 실시예(도 4a-4b)
본 실시예는 도 3a-3b에 대하여 기술된 중심 트렌치 실시예와 유사하지만, 다수의 소형 슬롯들이 채용됨으로써, 추가적인 실리콘이 프린트헤드 다이의 중심에 남겨지게 되고, 그에 따라 다이 강도가 증가된다.
도 4a는 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판(102) 상부를 도시한 정면도이다. 도 4b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성하고, 장벽층(112)을 도포한 이후의 프린트헤드 구조물(170)의 단면도이다. 도 4a에 도시된 구조물은 도 3a에 도시된 구조물과 유사하며, 피드 슬롯의 위치에서의 필드 산화물층(104)이 에지 근처에서 제거되고, 필드 산화물층의 경계 영역(104C)이 남겨져 있다. 점선(172A-172D)은 다수의 잉크 피드 슬롯의 원하는 주변부를 나타낸다. 그 후, TMAH 트렌치 에칭 공정이 수행되어, 영역(178)에 하나의 에칭 트렌치를 규정한다.
TMAH 에칭 공정이 수행되고, 트렌치(174)가 형성된 후, 제조 공정에서의 남 아 있는 단계들이 수행된다. 연마 드릴링이 슬롯 위치(172C)에 대한 드릴 슬롯(176C)을 포함하는 각 슬롯 위치(172A-172D)에 대한 드릴 슬롯을 따라 발생되고, 드릴 슬롯 내부의 재료 제거는 다수의 슬롯을 제공한다. 따라서, 단일 소스로부터 공급된 다수의 슬롯을 갖는 노즐이 생성되어, 단일 공정 단계에서 원하는 패턴을 드릴링할 것이다. 예시적인 실시예에서, 소형의 직사각형 개구가 대략 200 미크론의 폭 및 1500 미크론의 길이를 가지며, 노즐 개구 사이에는 1500 미크론의 공간이 있게 된다. 따라서, 노즐은 보다 작은 일련의 슬롯을 생성한다.
아일랜드 트렌치 다수 슬롯 실시예(도 5a-5c)
본 설계에서, 잉크 피드 슬롯들 사이에 아일랜드가 남겨져 장벽 지지를 돕고, 추가적인 다이 강도를 제공하며, 에어 거품(air bubble)의 제거를 촉진한다. 슬롯 에지에 대한 아일랜드의 쐐기 형상(wedge shape)은 에어 거품이 성장함에 따라 피드 슬롯 쪽으로 향하게 된다.
도 5a는 기판 상에 박막 제조 단계를 수행한 이후의 기판(102) 상부를 도시한 정면도이다. 도 5b는 TMAH 에칭 공정을 수행하여 브레이크 트렌치를 생성하고, 장벽층(112)을 도포한 이후의 프린트헤드 구조물(190)의 단면도이다. 도 5a에 도시된 구조물은, 필드 산화물층(104)의 피라미드 형상 아일랜드(104D1-104D3)가 피드 슬롯 영역에 남아 있다는 것을 제외하고는, 도 4a에 도시된 구조물과 유사하다. 이들 아일랜드는 실리콘 기판의 하부 영역을 TMAH 에칭 공정으로부터 차단할 것이다. 점선(172A-172D)은 다수의 잉크 피드 슬롯의 원하는 주변부를 나타낸다.
그 후, TMAH 트렌치 에칭 공정이 수행되어, 영역(178)에 패터닝된 에칭 트렌치(192)를 규정한다.
TMAH 에칭 공정이 수행되고, 트렌치(192)가 형성된 후, 제조 공정에서의 남아 있는 단계들이 수행된다. 장벽층(112)이 도포된 때, 도 5c에 도시된 바와 같이 장벽은 피라미드 형상 아일랜드(104D1-104D3)를 커버할 것이다. 연마 드릴링은 슬롯 위치(172C)에 대한 드릴 슬롯(176C)을 포함하는 각 슬롯 위치(172A-172D)에 대한 드릴 슬롯을 따라 발생되며, 드릴 슬롯 내부의 재료 제거는 다수의 슬롯을 제공한다.
아일랜드 트렌치 설계는 FOX(하드마스크) 레벨 상에서 상이한 아트워크를 사용하여, 잉크 피드 슬롯 영역의 중심에서 아일랜드를 패터닝한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 이러한 포토마스크는 잉크 피드 슬롯 영역의 중심에 피라미드 형상 아일랜드를 남기도록 설계된다. 전술한 실시예에서와 같이, 그 후에 장벽층이 적층 및 패터닝되고, 장벽층 재료가 피라미드 형상 아일랜드의 상부를 커버하도록 남겨지는 경우, 나중에 도포되는 오리피스 판을 지지하도록 돕는다. 도 5b에 도시된 바와 같이 아일랜드들 사이에 다수의 소형 스루 슬롯이 생성된다는 점에서, 도 4a-4b의 실시예에서와 같은 드릴 공정이 수행된다. 단면에서의 스루 슬롯은 5B-5B에서의 단면에 접근함에 따라 보다 깊어지고 넓어지는 아일랜드의 중심에서 얕은 트렌치를 갖는다.
칩 중지 바(Chip Stop Bars)
도 6a-6b는 칩 중지 바로서 기능하는 트렌치가 코너에 접속되지 않은, 또다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 6a는 제조 단계 2 이후, 즉 박막층을 갖는 실리콘 기판이 TMAH 에칭 공정을 겪은 이후, 측면 트렌치(226A, 226B), 상부 및 하부 트렌치(228A, 228B)를 형성한, 기판(220)의 개략적인 정면도이다. 드릴 슬롯은 점선(222)으로 표시한다. 점선(222) 내의 모든 기판은 피드 슬롯을 형성하도록 드릴 슬롯(232)(도 6b)을 따라 수행된 연마 가공 공정 동안 제거될 것이다. 예시적인 실시예에서, 측면 트렌치는 80 미크론의 폭 및 8300 미크론의 길이를 가지며, 상부 및 하부 트렌치는 160 미크론의 폭 및 80 미크론의 높이를 갖는다. 측면 트렌치(외부 대 외부)의 간격(separation)은 260 미크론이고, 상부 및 하부 트렌치(외부 대 외부)의 간격은 8480 미크론이다. 트렌치는 본 실시예에서 58 미크론의 타겟 깊이를 갖는다.
필드 산화물층 영역(104A, 104E1-104E4)(도 6a)은 측면 트렌치(226A-226B)와 상부 및 하부 트렌치(228A-228B) 사이의 분리 규정을 제공한다.
도 6a의 실시예는 몇 가지의 이점을 제공한다. 슬롯의 단부에서의 트렌치는 도 1a의 실시예에서 처럼 깊거나 또는 넓게 에칭되지 않으므로, 슬롯 중심과 단부 사이의 장벽 박막화 차이는 감소되어야 한다. 다이 칩핑으로부터의 보호는 여전히 다이의 모든 측면에 대해 적절하다. 가능한 문제점은 날카롭게 에칭된 코너의 수가 증가되면 다이 강도가 감소될 수 있다는 것이다.
측면 트렌치 설계
도 7a-7b는 상부 및 하부 중지 바가 생략된 것을 제외하고는 도 6a-6b의 실시예와 유사한, 브레이크 트렌치 공정의 또다른 실시예를 도시한다. 도 7a는 공정 단계 2 이후, 즉 박막층을 갖는 실리콘 기판이 TMAH 에칭 공정을 겪은 이후, 측면 트렌치(246A, 246B)를 형성한, 기판(240)의 개략적인 정면도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 보통의 드릴 슬롯은 점선(222)에 의해 표시되고, 예시적인 실시예에서 이러한 피처는 도 6a와 관련하여 기술된 예시적인 실시예에 대해 위에서 지시된 바와 동일한 보통의 크기를 가질 수 있다. 기판(240)의 경우, 단지 측면 칩 중지 바(246A, 246B)만이 이용되고, FOX 층 영역(104F)(도 7a)에 의해 분리된다. 따라서, 슬롯 영역의 양 측면에 에칭 트렌치가 제공되지만, 슬롯의 상부 및 하부에는 에칭 트렌치가 제공되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 측면 트렌치는 80 미크론의 폭 및 8430 미크론의 길이를 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 트렌치는 증가된 다이 강도를 제공하도록 슬롯의 단부에서 다소 짧게 남겨지며, 8100 미크론의 길이를 갖는다. 점선(222) 내의 기판 재료는 드릴 슬롯(250)(도 7b)을 따라 수행된 후속하는 연마 가공 공정 동안 제거될 것이다.
전술한 실시예는 본 발명의 원리를 나타낼 수 있는 가능한 특정 실시예를 단지 예시하는 것임을 알 것이다. 당업자라면 본 발명의 영역 및 정신을 벗어나지 않고서도, 이들 원리에 따라 다른 구성을 쉽게 고안할 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 슬롯의 폭 및 길이에 관계없이 낮은 스크랩 속도 및 고속의 잉크 리필 속도를 제공할 수 있고, 잉크젯 프린트헤드 상의 박막에 대한 손상이 방지되며, 칩핑으로 인한 박막 손상이 최소화된다.

Claims (15)

  1. 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead)(100)를 제조하는 방법에 있어서,
    프린트헤드 기판(102)을 제공하는 단계와,
    상기 기판 상에 박막 구조물(thinfilm structure)(101)을 제조하는 단계와,
    피드 슬롯(feed slot)(120)이 형성될 상기 기판의 표면 영역에 브레이크 트렌치 구조물(break trench structure)을 형성하는 단계와,
    상기 브레이크 트렌치 구조물의 형성 이후, 상기 박막 구조물에 장벽층을 도포하는 단계와,
    이어서, 상기 피드 슬롯을 형성하기 위해 상기 브레이크 트렌치 구조물을 통해 상기 기판을 연마 가공(abrasively machining)하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 구조물 제조 단계는, 상기 기판의 제 1 표면상에 상기 박막 구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 상기 기판의 상기 제 1 표면에 상기 브레이크 트렌치 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판을 연마 가공하는 단계는, 상기 기판의 제 2 표면으로부터 상기 제 1 표면에 형성된 상기 브레이크 트렌치 구조물까지 상기 기판을 연마 드릴링(abrasively drilling)하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 에칭 공정 동안 상기 트렌치를 에칭하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드 슬롯은 주변부(periphery)를 가지며,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 상기 피드 슬롯의 상기 주변부 주위에 주변부 브레이크 트렌치(134)를 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 상기 주변부 내에 가이드(guide) 트렌치(132)를 형성하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 상기 피드 슬롯의 영역 상에 넓은 트렌치(152)를 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드 슬롯은 다수의 이격된 소형 슬롯들(172A-172D)을 포함하고,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 다수의 소형 트렌치(174)를 형성하는 단계를 포함하되, 각각의 소형 트렌치는 상기 이격된 각 소형 슬롯에 대응하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 연마 가공 단계는, 다수의 소형 기판 아일랜드(island)(104D1-104D3)가 상기 소형 슬롯들을 분리시키는 영역에 남아 있도록 하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, 형성될 피드 슬롯의 주변부 부근에 비접속 칩 중지 트렌치들(unconnected chip stop trenches)(226A, 226B)을 형성하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비접속 칩 중지 트렌치들은 상기 주변부의 연장된 측면 에지들에 접하는 좌측면 및 우측면 트렌치(226A, 226B)와, 상기 주변부의 상부 및 하부 에지에 접하는 상부 및 하부 트렌치(228A, 228B)를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 비접속 칩 중지 트렌치들은 상기 주변부의 연장된 측면 에지들에 접하는 좌측면 및 우측면 트렌치(246A, 246B)로 구성되고, 상기 주변부의 상부 및 하부 에지에 접하는 트렌치들은 없는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽층에 오리피스 판 구조물(orifice plate structure)을 부착하는 단계를 더 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린트헤드 기판 제공 단계는, 실리콘 기판을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 브레이크 트렌치 구조물 형성 단계는, TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide) 에칭 공정으로 상기 실리콘 기판을 에칭하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 제조 방법.
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