KR101328910B1 - 액체 토출 헤드의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 기판, 및 공급구를 구비하는 액체 토출 헤드용 기판을 제조하는 방법으로서: 절연층을 제1면 상에 갖고, 복수의 개구를 갖는 에칭 마스크층을 제1면의 이면인 제2면 상에 갖는 실리콘 기판을 제공하는 단계로서, 절연층은 개구와 대향하는 위치로부터 에칭 마스크층의 인접한 개구들 사이의 부분과 대향하는 위치까지의 범위의 영역에 제공되는 단계; 및 에칭 마스크층을 마스크로서 이용하면서, 에칭 영역이 개구와 대향하는 절연층의 부분에 도달하도록, 실리콘 기판의 실리콘 부분을 에칭함으로써, 구멍들을 형성하는 단계로서, 제1면측의 부분이 제2면측의 부분보다도 얇아질 수 있도록 인접한 구멍들 사이에 제공된 실리콘 벽이 에칭되는 구멍들을 형성하는 단계를 포함하는, 액체 토출 헤드용 기판 제조 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 액체를 토출하는 액체 토출 헤드의 제조 방법에 관련된다.
액체 토출 헤드의 제조 방법의 일례로서, 일본 공개 특허 평10-138478호에서는, {110}의 면 방위를 갖는 실리콘 기판을 이방성 에칭하여, 관통 구멍들인 복수의 공급구를 실리콘 기판에 형성하는 동시에, 공급구 사이에 남겨진 실리콘 부분을 빔(beam)으로서 사용하는 방법을 개시한다. 실리콘 기판에 제공된 관통 구멍들에 기인한 강도의 감소가, 빔을 제공하는 것에 의해 완화된다고 생각할 수 있다.
그러나, 상술한 방법에서는, 실리콘 기판의 이면으로부터 실리콘 기판의 표면까지의 범위의 영역들에서 동일한 폭을 갖는 빔들이 복수의 공급구를 서로 분리한다. 그로 인해, 빔의 존재 때문에 공급구 부분의 체적이 충분히 확보될 수 없고, 액체의 리필링(refilling)이 불충분하게 될 수 있다.
이러한 이유 때문에, 본 발명은, 기계적 강도 및 리필링 성능에 우수한 액체 토출 헤드에 사용될 수 있는 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제1면측에 액체를 토출하기 위해서 이용되는 에너지를 발생하는 에너지 발생 소자를 갖는 실리콘 기판, 및 상기 에너지 발생 소자에 액체를 공급하기 위한 공급구를 구비하는 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법이며: 절연 재료로 이루어지는 절연층을 상기 제1면 상에 갖고, 복수의 개구를 갖는 에칭 마스크층을 상기 제1면의 이면인 제2면 상에 갖는 실리콘 기판을 제공하는 단계로서, 상기 절연층은 상기 개구와 대향하는 위치로부터 상기 에칭 마스크층의 인접한 개구들 사이의 부분과 대향하는 위치까지의 범위의 영역에 제공되는 실리콘 기판을 제공하는 단계; 및 상기 에칭 마스크층을 마스크로서 이용하면서, 에칭 영역이 상기 개구와 대향하는 상기 절연층의 부분에 도달하도록, 상기 복수의 개구로부터 상기 실리콘 기판의 실리콘 부분을 반응성 이온 에칭법으로 에칭함으로써, 복수의 인접한 상기 개구에 대응한 상기 공급구들이 되는 구멍들을 형성하는 단계로서, 상기 제1면측의 부분이 상기 제2면측의 부분보다도 얇아질 수 있도록 인접한 구멍들 사이에 제공된 실리콘 벽이 상기 반응성 이온 에칭법으로 에칭되는 구멍들을 형성하는 단계를 이 순서대로 포함하는, 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 기계적 강도 및 리필 성능에 우수한 액체 토출 헤드용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 첨부 도면을 참조하여 하기의 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d, 도 1e, 도 1f, 도 1g 및 도 1h는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e, 도 4f, 도 4g 및 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략적 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f 및 도 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략적 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 도시하는 개략적 단면도이다.
도 9는 건식 에칭 단계에서 발생하는 노칭 현상(notching phenomenon)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 에칭 단계에서의 상태를 설명하기 위한 개략 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e, 도 4f, 도 4g 및 도 4h는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략적 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정에서의 상태를 도시하는 개략도이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f 및 도 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 나타내는 개략적 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 공정의 일례를 도시하는 개략적 단면도이다.
도 9는 건식 에칭 단계에서 발생하는 노칭 현상(notching phenomenon)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 에칭 단계에서의 상태를 설명하기 위한 개략 단면도들이다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면에 따라 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은, 실리콘 기판에 형성된 복수의 액체 공급구와, 실리콘 기판 재료로 형성되고 또한 인접한 액체 공급구들 사이에 형성된 빔을 갖는 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법을 제공한다. 액체 공급구는 기판의 길이 방향으로 복수개 형성된다. 빔은 기판의 긴 변들을 서로 연결하도록 형성된다. 액체 공급구들에 빔을 제공하기 때문에, 기판의 변형을 억제할 수 있고, 토출구의 미스얼라인먼트(misalignment)를 감소시킬 수 있다. 또한, 빔은 기계적 강도를 증가시킬 수 있고, 핸들링 및 마운트 시의 손상을 피할 수 있다.
상술된 빔은 실리콘 기판에 떨어뜨려진 것처럼 형성된다. 즉, 빔은 실리콘 기판의 표면으로부터 공간을 갖도록 형성되고, 빔 상부와 실리콘 기판 표면에 의해 단차가 제공된다. 빔을 실리콘 기판에 떨어뜨려진 것처럼 형성함으로써, 액체 토출 헤드의 리필링 성능을 향상하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따라 제조되는 기판을 갖는 액체 토출 헤드는, 적절하게 인자할 수 있고, 정밀도 높게 고속으로 문자를 기록할 수 있다.
본 발명에서는, 이면으로부터 절연성을 갖는 에칭 스톱층(이하, 절연층이라고도 칭함)에 에칭 구멍이 도달할 때까지 반응성 이온 에칭법으로 실리콘 기판의 에칭을 행하여 복수의 액체 공급구를 형성한다. 그 후, 또한, 반응성 이온 에칭법에 의해 절연성을 갖는 에칭 스톱층의 하방의 실리콘 기판 부분을 노칭 및 제거하는 동작에 의해, 인접한 액체 공급구들이 서로 연통하게 하여 빔을 형성한다.
여기서, 본 발명의 원리에 관해서 도 9를 참조하여 하기에서 설명한다. 도 9에서, 실리콘 기판(901)의 표면에는, 산화 실리콘막 및 질화 실리콘막 등의, 에칭 가스에 대한 에칭 선택비가 높고 절연성을 갖는 에칭 스톱층(902)이 형성된다. 또한, 실리콘 기판(901)의 이면에는 개구부를 갖는 에칭 마스크(903)가 형성된다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(901)의 이면으로부터 반응성 이온 에칭법에 의해 실리콘 기판(901)을 에칭할 때, 실리콘 기판(901)과 절연성을 갖는 에칭 스톱층(902)의 계면에서는, 도 9에 나타낸 바와 같은 대전에 의해 측면 방향을 향하여 실리콘 기판(901)이 에칭(노칭)된다. 도 9에, 노칭에 의해 실리콘 기판 부분이 제거되어 형성된 공간(904)을 나타낸다.
본 발명에서는 이 원리를 실리콘 기판에 응용해서 기판을 파서, 빔을 형성한다. 하기에서 그 공정을 더욱 자세하게 설명한다. 실리콘 기판의 이면으로부터 절연성을 갖는 에칭 스톱층을 향하여 반응성 이온 에칭법으로 실리콘 기판을 에칭한 후, 초래된 노칭 현상에 기인하여 가로 방향으로의 에칭을 행한다. 에칭 반응을 가로 방향으로 더 진행시키면, 인접한 액체 공급구들이 서로 연통되어 빔을 형성할 수 있다. 이 방법에 따라 실리콘 기판에 형성된 빔은 빔 상부가 기판 표면보다 낮아, 액체 유로의 단면적이 증가한다. 그로 인해, 유체의 저항을 감소시킬 수 있고, 액체 토출 헤드를 액체로 다시 채우는 데 필요한 시간을 짧게 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해, 상부가 기판 표면보다 낮은 빔을 갖는 액체 토출 헤드용 기판을 용이하게 형성할 수 있다.
절연층은, 복수의 액체 공급구 사이의 실리콘 기판의 상측을 노칭 현상에 의해 제거할 수 있고, 형성된 공간을 통하여, 인접한 액체 공급구를 서로 연결할 수 있도록 배치된다. 또한, 절연층은, 적어도, 빔 형성 영역의 상방에 대응하는 실리콘 기판의 영역과, 에칭 구멍이 절연층에 도달할 때까지 실리콘 기판을 에칭해서 형성되는 액체 공급구의 표면 개구 내의, 빔 형성 영역에 대응하는 실리콘 기판의 영역 상에 형성될 수 있다.
본 발명에서는, 도전성을 갖는 에칭 스톱층도 병용하는 것이 바람직하다. 도 9에서 에칭 스톱층이 절연층인 경우에 대해서 설명했지만, 에칭 스톱층(이하, 도전층이라고도 칭함)이 도전성을 가질 때에는 노칭 현상이 일어나지 않는다. 즉, 실리콘 기판보다 덜 에칭되는 알루미늄이나 금으로 이루어지고, 높은 도전성을 갖는 에칭 스톱층이 실리콘 기판의 표면에 존재할 때, 기판과 도전성을 갖는 에칭 스톱층의 계면에서는 이온에 의한 대전이 발생하지 않고 노칭 현상이 발생하지 않는다. 이 원리를 이용하여, 노칭 현상이 일어나는 것을 바라지 않는 부분의 실리콘 기판의 표면 상에 도전층이 형성될 수 있다. 즉, 반응성 이온 에칭에 기인하여 도전층이 형성된 영역에 노칭 현상이 발생하는 것이 방지되고, 노칭 현상이 절연층이 형성된 영역에서 초래될 수 있다.
도전층과 절연층을 사용해서 고정밀도로 액체 공급구 및 빔을 형성함으로써, 토출 에너지 발생 소자와 액체 유로와 연통하는 액체 공급구 사이의 거리(이하 CH 거리라고 칭함)를 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 토출 주파수 특성(discharge frequency characteristics)이 균일화된다.
또한, 기판 이면의 액체 공급구의 개구를, 종래의 이방성 에칭법을 사용해서 액체 공급구의 개구를 형성했을 경우의 치수보다 더 작은 치수로 형성할 수 있다. 그로 인해, 더 넓은 면적이 이면의 접착 면적으로서 사용될 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여, 본 발명의 예시적인 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 설명을 위하여, 액체 토출 헤드용 기판의 응용예로서, 잉크젯 기록 헤드용 기판을 들 수 있다. 그러나, 본 발명의 적용 범위는 잉크젯 기록 헤드용 기판으로 한정되지 않으며, 본 발명은 바이오칩(biochip) 제작 및 전자 회로 인쇄 용도의 액체 토출 헤드에 사용될 수 있는 기판에도 적용될 수 있다. 액체 토출 헤드는 잉크젯 기록 헤드 외에도, 예를 들어 컬러 필터 제조용 헤드를 포함한다.
(제1 실시예)
우선, 본 발명에 따라 제조되는 액체 토출 헤드용 기판에 대해서 하기에 설명한다. 도 10 내지 도 13에 본 발명에 따라 제조되는 기판을 사용하는 잉크젯 기록 헤드를 나타낸다. 도 10은, 일부를 잘라낸 잉크젯 기록 헤드의 사시도이며, 도 11은 도 10의 A-A'선을 따라 취해진 단면도이다. 도 12는 도 10의 A-A'선과 평행한 선을 따라서 취해진, 빔 형성 영역에서의 단면도이다. 도 13은 도 10의 B-B'선을 따라서 취해진 단면도이다.
잉크젯 기록 헤드는, 도 10 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 잉크(액적)를 토출시키기 위한 압력을 발생하는 복수의 토출 에너지 발생 소자(14)가 형성되는 실리콘 기판(1)을 갖는다. 실리콘 기판(1) 상에는, 토출 에너지 발생 소자(14)를 구동하기 위한 트랜지스터를 포함하는 반도체 회로, 기록 헤드를 기록 장치 본체측과 전기적으로 연결하기 위한 전극 패드 등이 형성되지만, 도면을 명확하게 하기 위해서, 각 도면에서는 그것들을 생략한다. 잉크젯 기록 헤드용 기판은 실리콘 기판(1)을 포함한다. 실리콘 기판(1) 상에는 토출 에너지 발생 소자(14)가 형성된다. 잉크 유로(13)는 토출구(15) 및 액체 공급구(5)와 연통하고, 토출구(15)를 갖는 유로 형성층(오리피스(orifice) 플레이트)(11)에 의해 형성된다. 실리콘 기판(1) 상에는 잉크 유로(13)에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급구(5)가 길이 방향으로 선을 형성하도록 복수개 형성되고 잉크 공급구들 각각의 사이에는 빔(6)이 형성된다. 빔(6)은 빔 상부가 실리콘 기판 표면보다 낮아지도록 (단차를 갖도록) 형성된다.
(제2 실시예)
다음에, 본 발명에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법에 대해서 도 1a 내지 도 3을 참조하여 하기에서 설명한다. 이하의 설명에서는, 실리콘 기판 상에 유로 형성층 등이 형성되어 있지 않은 경우에 대해서 설명한다. 그러나, 본 발명은 특별히 이런 경우로 한정되지 않고, 실리콘 기판 상에 유로 형성층 등이 형성될 수 있다. 즉, 본 발명을 액체 토출 헤드의 제조 방법이라고 보는 것도 가능하다.
도 1a 내지 도 1h는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법의 각 단계에서의 상태를 설명하기 위한 단면도이며, 도 1a 내지 도 1d는 상술된 도 13에 대응하는 단면도이다. 또한, 도 1e 내지 도 1h는 기판(1)의 이면(50)의 단면도이다. 도 2는 실리콘 기판(1)의 표면(51) 상에 형성된 절연층(2) 및 도전층(3)의 배치 상태를 도시하는 개략도이다.
우선, 도 1a, 도 1e 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 표면(51) 상에 절연층(2) 및 도전층(3)을 형성한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 빔 형성 영역의 상부만이 노칭될 수 있도록 절연층(2) 및 도전층(3)이 실리콘 기판(1) 상에 형성된다. 절연층(2)은, 적어도, 실리콘 기판(1) 상이며, 복수의 빔 형성 영역의 상방에 길이 방향을 따라서 형성된다. 도전층(3)은, 뒤의 단계에서 형성되는 액체 공급구의 벽면이되, 빔을 형성하는 벽면을 제외한 벽면의 상방에 형성된다.
절연층(2)의 재료는, 산화 실리콘 및 질화 실리콘을 포함한다.
도전층(3)은, 예를 들어 Al, Ta, TiW, Au, Cu 등을 재료로 사용할 수 있다.
절연층(2) 또는 도전층(3)은, 스퍼터링 등에 의해 체적막(volume film)을 만들고, 포토리소그래피법 등으로 체적막을 패터닝하는 공지의 방법으로 형성될 수 있다.
여기서, 실리콘 기판(1)의 표면(51)의 부근의 부분에 노칭 현상을 발생시켜서, 관련 부분의 실리콘을 제거하기 위해서는, 도 14a에 나타낸 바와 같이, 건식 에칭에 의해 에칭될 영역에 절연층(2)이 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 14a에서, 실리콘 기판(1)의 두께가 625μm일 경우, X의 값을 4μm 이상으로 설정할 수 있고, 또 10μm 이상으로 설정할 수 있으며, 또한 15μm 이상으로 설정할 수 있다. 건식 에칭에 의한 실리콘의 제거에 의해 형성된 공역(airspace)(52)에서, 절연층(2)이 건식 에칭될 영역으로 돌출되는 것에 의해 노칭 현상을 효과적으로 일으킬 수 있다.
또한, 도전층에 의해 노칭 현상을 방지하기 위해서, 도 14b에 나타낸 바와 같이, 기판 표면 상의 액체 공급구의 개구의 내측에 오도록 도전층이 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 14b에서, Y의 값을 4μm 이상으로 설정할 수 있고, 또 10μm 이상으로 설정할 수 있고, 또한 15μm 이상으로 설정할 수 있다.
다음에, 도 1b 및 도 1f에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 이면(50)측에 에칭 마스크층(4)을 형성한다. 에칭 마스크층(4)은 이면 상의 액체 공급구의 개구에 대응한 개구부(53)를 갖고, 이 개구부(53)로부터 노출되는 실리콘 표면이 뒤의 단계에서 실행될 반응성 이온 에칭의 개시면이 된다.
상기 설명에서, 절연층(2) 및 도전층(3)을 형성하는 단계와, 에칭 마스크층(4)을 형성하는 단계의 순서는 특별히 한정되지 않는다.
다음에, 도 1c 및 도 1g에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 이면측에서부터 절연층(2) 및 도전층(3)에 에칭 구멍이 도달할 때까지 반응성 이온 에칭법으로 실리콘 기판을 에칭하고, 각 개구부(53)에 대응하는 구멍(54)을 복수개 형성한다.
여기서, 본 발명에 따른 반응성 이온 에칭법은, 이온을 사용한 방향성 에칭법(directional etching technique)이며, 전하를 제공하면서 에칭될 영역에 입자를 충돌시키는 방법이다. 반응성 이온 에칭법은 가속화된 이온으로 물질을 에칭하는 방법이며, 그 장치는 이온을 생성하는 플라스마원과 이온이 물질을 에칭하는 반응실로 분할된다. 예를 들어, 이온원으로서 고밀도의 이온을 생성할 수 있는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 건식 에칭 장치를 사용할 때, 코팅과 에칭 공정(즉, 피착/에칭 공정)을 교대로 행하고, 액체 공급구가 기판에 수직하게 형성된다. 피착/에칭 공정에서는, 에칭 가스로서 SF6 가스를 사용할 수 있고, 코팅 가스로서 예를 들어 C4F8 가스를 사용할 수 있다. 본 발명에서는, ICP 플라즈마 장치를 사용한 건식 에칭법에 의해 액체 공급구를 형성할 수 있지만, 다른 방식의 플라즈마원을 갖는 건식 에칭 장치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance, ECR) 이온원을 갖는 장치를 사용할 수도 있다.
반응성 이온 에칭법의 에칭 가스로서는, 불소 원자를 갖는 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가스는, SF6 가스, CF4 가스 C4F8 가스 및 CHF3 가스 중 적어도 하나의 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 이들 가스의 혼합물도 사용될 수 있다.
다음에, 반응성 이온 에칭법으로 실리콘 기판을 더 에칭하고, 구멍들(54)을 서로 분리하는 실리콘 벽부(55)의 절연층(2)의 하부를 노칭 효과에 의해 제거한다. 이에 의해, 벽부(55)가 기판 표면과 거의 평행한 방향으로 파진다.
이 상태에서 반응성 이온 에칭 작용이 멈출 때, 도 8에 나타낸 바와 같이, 실리콘 벽(55)의 기판 표면(51)측에, 벽(55)의 내부를 향하도록 오목부를 형성할 수 있다. 이에 의해, 각 공급구(5) 내의 액체의 흐름의 저항을 감소시킬 수 있고, 이는 리필링 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 반응성 이온 에칭 작용을 계속할 때, 도 1d 및 도 1h에 나타낸 바와 같이, 인접한 구멍들(54)이 서로 연통하고, 하나의 채널을 형성하도록 연결된 공급구들(55)과, 빔(6)들이 형성된다.
여기서, 반응성 이온 에칭의 조건으로서, SF6 가스의 유속이 50sccm과 1000sccm 사이일 수 있고, C4F8 가스의 유속이 50sccm과 1000sccm 사이일 수 있고, 가스의 압력이 0.5Pa과 50Pa 사이일 수 있다. 조건들이 이 범위에서 제어될 때, 노칭 현상이 더욱 효과적으로 발생될 수 있다.
빔(6)의 폭(액체 공급구 사이의 거리)은, 예를 들어 5 내지 100μm로 설정될 수 있고, 또한 10 내지 40μm로 설정될 수 있다. 폭이 20μm 이하로 설정될 때, 인접한 액체 공급구들이 노칭 효과에 의해 더욱 용이하게 서로 연통될 수 있다. 폭이 10μm 이상으로 설정될 때, 기판의 기계적 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
도 3은 노칭 효과에 의해 빔이 형성된 실리콘 기판 표면의 액체 공급구의 개구를 도시하는 개략도이다. 2개의 점선에 둘러싸인 영역은 도전층(3)을 형성한 부분에 대응하고, 이 부분에서는 노칭 현상을 방지할 수 있다.
절연층(2) 및 도전층(3)은 공지의 방법에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 도전층이 Al로 이루어질 경우, 도전층은 인산, 질산 및 아세트산의 혼합액에 의해 제거할 수 있다. 절연층을 제거할 때, 공급구(50)가 개방된다.
(제3 실시예)
하기에서 본 발명에 따른 제3 실시예에 대해서 도 4a 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 도 4a 내지 도 4h는, 각 공정을 설명하기 위한 단면도이며, 도 4a 내지 도 4d는 상술된 도 13에 대응하는 길이 방향의 단면도이고, 도 4e 내지 도 4h는 기판의 하방으로부터 관찰된 개략도이다. 도 5는, 실리콘 기판 표면 상에 형성된 절연층 및 도전층의 형상을 도시하는 개략도이다.
우선, 도 4a 및 도 4e 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1) 상에 절연층(2) 및 도전층(3)을 형성한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 빔 형성 영역의 상부만이 노칭될 수 있도록 절연층(2) 및 도전층(3)이 실리콘 기판(1) 상에 형성되고, 절연층(2)은 적어도, 실리콘 기판(1) 상이며 복수의 빔 형성 영역의 상방에 형성된다. 절연층(2) 내에 직사각형의 도전층(3)이 형성된다. 도전층(3)과 에칭 마스크층(4)의 개구부(53)는 서로 대향하도록 배치된다.
이 뒤의 단계들은 제1 실시예의 단계들과 유사한 방식으로 행할 수 있다. 도 6은 노칭 효과에 의해 빔이 형성된 실리콘 기판의 표면 상의 액체 공급구의 개구를 도시하는 개략도이다. 점선에 둘러싸인 영역은 도전층(3)에 대응하고, 관련 부분에서는 노칭 현상을 방지할 수 있다. 제2 실시예 및 제3 실시예에서 나타낸 바와 같이, 도전층과 절연층의 배치에 의해 노칭 현상이 발생하는 부분을 제어할 수 있다.
(제4 실시예)
도 7a 내지 도 7g는, 제3 실시예에서 설명된 바와 같은 절연층(2) 및 도전층(3)을 형성한 후, 또한 그 위에 액체 유로형(liquid-flow-channel mold)(10) 및 유로 형성층(11)을 형성한 상태에서 액체 공급구 및 빔을 형성하는 방법의 예를 설명하기 위한 개략 공정도이다.
실리콘 기판(1)의 두께는, 예를 들어 200 내지 725μm로 설정될 수 있다. 또한, (100)의 결정 방위를 갖는 실리콘 기판을 사용할 수 있다.
우선, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1) 상에 절연층(2) 및 도전층(3)을 형성한다.
도전층(3)의 막은 Al, Ta, TiW, Au 또는 Cu 등을 사용해서 형성되고, 패터닝에 의해 형상이 형성될 수 있다. Al막을 형성하는 방법은, 예를 들어, 스퍼터링법을 포함한다. 패터닝 방법은, 예를 들어, 노볼락계의 포지티브 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 공정에 의해 도전층(3)을 마스킹하고, 인산, 질산 및 아세트산의 혼합액(예를 들어, 도쿄 오카 고교사제의 상품명 C-6)을 사용해서 도전층(3)을 에칭한다. 예를 들어, 도전층이 Ta로 이루어질 때, 스퍼터링법에 의해 막이 형성되고, 도전층이 마스킹된 후 화학 건식 에칭(Chemical Dry Etching, CDE)에 의해 제거된다. 예를 들어 도전층이 TiW, Au 또는 Cu로 이루어질 때, 도전층은 도금법에 의해 형성될 수 있고, 도금법은 시드층을 형성하는 단계, 레지스트로 시드층을 마스킹하는 단계; 및 기판을 전해 도금하는 단계를 포함한다. 도전층은, TiW와 같은 시드층만을 패터닝하는 방법에 의해서도 형성될 수 있다.
절연층(2)은 그 재료로서 산화 실리콘, 질화 실리콘 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상술된 방법에 의해 도전층을 형성한 후, 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)에 의해 질화 실리콘막을 형성할 수 있다. 그 후, 포토리소그래피 공정과 CF4 가스를 사용한 RIE에 의해 절연층(2)을 형성할 수 있다. 절연층(2)이 산화 실리콘으로 이루어질 때, 예를 들어 플라즈마 CVD법에 의해 막이 형성될 수 있다. 플라즈마 CVD법에 의해 막이 형성된 후, 완충된 불산에 의해 막을 제거할 수 있다.
다음에, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 절연층(2) 및 도전층(3) 상에 용출가능한 UV 레지스트인 폴리메틸 이소프로페닐 케톤을 스핀 코팅법에 의해 솔벤트 코팅(solvent-coated)한다. 이러한 레지스트가 UV 광으로 노광되고 현상되어 액체 유로형(10)을 형성한다.
그 후, 액체 유로형(10) 상에 네가티브 레지스트인 양이온 중합형 에폭시 수지를 도포하여, 액체 유로를 형성하는 유로 형성층(오리피스 플레이트)(11)을 형성한다. 미리 정해진 패턴을 갖는 포토마스크를 통해서 이 네가티브 레지스트를 노광하고 노광된 네가티브 레지스트를 현상하여, 이 네가티브 레지스트에 토출구(도시 안됨)를 형성할 수 있다. 전극 패드 부분에 대응하는 네가티브 레지스트도 유사한 방식으로 제거할 수 있다.
다음에, 도 7c에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 이면에 에칭 마스크층을 형성한다. 에칭 마스크층은, 예를 들어 노볼락계의 포지티브 레지스트를 그 재료로서 사용할 수 있다. 또한, 에칭 마스크층의 막은, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 에폭시 수지막 또는 금속막을, 증착법 또는 스퍼터링법으로 형성함으로써 형성할 수도 있다.
다음에, 도 7d에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판의 이면으로부터 에칭 구멍이 절연층(2) 및 도전층(3)에 도달할 때까지 반응성 이온 에칭법으로 실리콘 기판을 에칭하여, 구멍들(54)을 형성한다.
다음에, 도 7e에 나타낸 바와 같이, 반응성 이온 에칭 공정을 더 진행하여, 노칭 효과에 의해 절연층의 하부의 실리콘 기판 부분을 제거하고, 인접한 구멍들(54)을 서로 연통시켜, 빔(6)을 형성한다. 노칭 현상에 의해, 인접한 구멍들(54) 사이의 벽(55)의 절연층(2)에 접하는 부분을 제거하고, 그에 의해, 인접한 구멍들(54)이 서로 연통한다. 상기 단계들을 통하여 빔(6)을 포함하는 공급구(5)가 형성된다. 이 경우, 도 9에서 설명한 바와 같이, 실리콘 기판(1)과 절연층(2)의 계면에서, 바이어스에 의해 끌려온 이온들에 의해 절연층이 대전되어, 실리콘 기판의 측벽 방향으로의 에칭(노칭)이 진행한다. 한편, 실리콘 기판(1)과 도전층(3)의 계면에서는 도전층(3)이 대전되지 않기 때문에, 노칭 현상이 발생하지 않는다.
다음에, 도 7f에 나타낸 바와 같이, 노출된 도전층(3) 및 절연층(2)을 제거한다. 제거 방법으로서, 도전층이 Al로 이루어진 경우, 예를 들어, 인산, 질산 및 아세트산의 혼합액을 사용해서 도전층을 제거할 수 있다. 이 경우, 개구에 노출되고 애스펙트비가 높은 Al을 제거하는 관점으로부터, 가능한한 저점도의 액체를 제거에 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도전층이 Ta로 이루어진 경우, CDE와 같은 에칭 방법으로 도전층을 제거할 수 있다. 도전층이 TiW로 이루어진 경우, 과산화수소수나 중성 불화 암모늄과 황산의 혼합액 등을 에천트로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 도전층이 Au로 이루어질 때, 에천트로서는 요오드와, 요오드화 칼륨과 IPA의 혼합액 또는 시안화칼륨 용액 등을 사용할 수 있다. 또한, 예를 들어, 도전층이 Cu로 이루어진 경우, 에천트로서 질산, 불산 등을 사용할 수 있다. 절연층은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘을 포함한다. 예를 들어, 절연층이 산화 실리콘으로 이루어진 경우, 절연층은 완충된 불산에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 절연층이 질화 실리콘으로 이루어지는 경우에는, CF4 가스를 사용한 CDE에 의해 제거될 수 있다.
다음에, 도 7g에 나타낸 바와 같이, 액체 유로형(10)을 제거한다. 액체 유로형(10)은, 예를 들어, UV로 조사하고, 초음파가 인가될 락트산 메틸에 침지시킴으로써 제거할 수 있다.
참고로, 특별히 도시하고 있지 않으나, 이러한 기판은, 실리콘 기판(1)을 포함하는 실리콘 웨이퍼 상에 복수개를 동시에 형성할 수 있다. 마지막에, 다이싱에 의해 웨이퍼로부터 기판들을 절단하여 액체 토출 헤드로서 사용할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 이하의 청구항들의 범위는 그러한 변경들과, 등가의 구조 및 기능을 모두 포괄하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.
1: 실리콘 기판
2: 절연층
3: 도전층
4: 에칭 마스크층
5: 액체 공급구
6: 빔
13: 잉크 유로
14: 토출 에너지 발생 소자
15: 토출구
2: 절연층
3: 도전층
4: 에칭 마스크층
5: 액체 공급구
6: 빔
13: 잉크 유로
14: 토출 에너지 발생 소자
15: 토출구
Claims (5)
- 제1면측에 액체를 토출하기 위해서 이용되는 에너지를 발생하는 에너지 발생 소자를 갖는 실리콘 기판, 및 상기 에너지 발생 소자에 액체를 공급하기 위한 공급구를 구비하는 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법이며,
절연 재료로 이루어지는 절연층을 상기 제1면 상에 갖고, 복수의 개구를 갖는 에칭 마스크층을 상기 제1면의 이면인 제2면 상에 갖는 실리콘 기판을 제공하는 단계로서, 상기 절연층은 상기 개구의 내측과 대향하는 위치로부터 상기 에칭 마스크층의 인접한 개구들 사이의 부분과 대향하는 위치까지의 범위의 영역에 제공되는 실리콘 기판을 제공하는 단계; 및
상기 에칭 마스크층을 마스크로서 이용하면서, 에칭 영역이 상기 개구의 내측과 대향하는 상기 절연층의 부분에 도달하도록, 상기 복수의 개구로부터 상기 실리콘 기판의 실리콘 부분을 반응성 이온 에칭법으로 에칭함으로써, 복수의 인접한 상기 개구에 대응한 상기 공급구들이 되는 구멍들을 형성하는 단계로서, 인접하는 구멍들 사이에 제공된 실리콘 벽의 상기 제2면측의 부분보다 상기 실리콘 벽의 상기 제1면측의 부분을 얇게 하도록 상기 반응성 이온 에칭법을 행하여, 인접하는 상기 공급구가 되는 구멍들을 노칭에 의해 연통시키는, 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 반응성 이온 에칭법에 사용하는 에칭 가스는 불소 원자를 갖는 화합물을 포함하는, 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 에칭 가스는, SF6 가스, CF4 가스, C4F8 가스 및 CHF3 가스 중 적어도 하나의 가스를 포함하는, 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 실리콘 기판은 상기 제1면측에 도전층을 갖고, 상기 개구와 대향하는 부분에 존재하는 상기 절연층 및 상기 도전층에 에칭 영역이 도달하도록 상기 반응성 이온 에칭을 행하는, 액체 토출 헤드용 기판의 제조 방법.
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