KR20030040689A - 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 그 표면 및 배면 쪽에 각각 잉크 챔버 및 매니폴드가 형성된 기판, 잉크 챔버와 매니폴드 사이에 개재되며 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 채널형성층, 노즐이 형성된 노즐판, 히터 및 히터에 전류를 인가하기 위한 전극을 구비한다. 여기서 잉크 챔버는 실질적으로 원통형의 형상을 가지며, 잉크 채널은 복수개로 형성된다. 따라서, 단위 면적당 잉크 챔버가 포함할 수 있는 잉크의 양을 증가시킬 수 있고, 버블 성장시 잉크가 잉크 채널로 빠져나가는 잉크의 역류현상을 줄임으로써 토출속도 및 액적량 등의 토출특성을 향상시킬 수 있다. 또한 잉크의 공급량을 조절하여 주파수특성을 향상시킬 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Inkjet printhead and manufacturing method thereof}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 잉크 챔버와 잉크 채널의 구조가 개선된 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(기포)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer)이 있다.
전기-열 변환 방식에는 버블의 성장 방향과 잉크 액적(droplet)의 토출 방향에 따라 탑-슈팅(top-shooting), 사이드-슈팅(side-shooting), 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류된다. 여기서 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이고, 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 토출 방식을 말한다.
이와 같은 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드는 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다.
첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다.
둘째, 선명한 화질을 얻기 위해서는, 토출되는 주 액적(main droplet)에 뒤따르는 주 액적보다 작은 미세한 부 액적(satellite droplet)의 생성이 가능한 한 억제되어야 한다.
셋째, 하나의 노즐에서 잉크를 토출하거나 잉크의 토출후 잉크 챔버로 잉크가 다시 채워질 때, 잉크를 토출하지 않는 인접한 다른 노즐과의 간섭(cross talk)이 가능한 한 억제되어야 한다. 이를 위해서는 잉크 토출시 노즐 반대방향으로 잉크가 역류(back flow)하는 현상을 억제하여야 한다.
넷째, 고속 프린트를 위해서는, 가능한 한 잉크 토출후 리필되는 주기가 짧아야 한다. 즉, 구동 주파수가 높아야 한다.
그런데, 이러한 요건들은 서로 상충하는 경우가 많고, 또한 잉크젯 프린트헤드의 성능은 결국 잉크 챔버, 잉크 유로 및 히터의 구조, 그에 따른 버블의 생성 및 팽창 형태 또는 각 요소의 상대적인 크기와 밀접한 관련이 있다.
도 1은 미국특허 제 6,019,457호에 개시된 종래 잉크젯 프린트헤드들 중에서하나를 개략적으로 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 실리콘 등으로 된 기판(10)의 상부에는 반구형의 잉크챔버(15)가 형성되어 있고, 그 하부에는 잉크 챔버(15)로 잉크를 공급하는 매니폴드(16)가 형성되어 있으며, 상기 잉크 챔버(15)의 바닥 중앙에는 잉크 챔버(15)와 매니폴드(16)를 연결하는 잉크 채널(13)이 형성되어 있다.
기판(10)의 표면에는 잉크 액적(18)이 토출되는 노즐(11)이 형성된 노즐판(20)이 위치하여, 잉크 챔버(15)의 상부 벽을 이룬다. 상기 노즐판(20)은 열적 절연층(thermal insulation layer)(20a)와 그 상부의 CVD 오버 코팅층(Chemical Vapor Deposition overcoat layer)(20b)을 포함한다.
노즐판(20)에는 노즐(11)에 인접하여 이를 감싸는 환상의 히터(12)가 형성되어 있으며, 이 히터(12)는 절연층(20a)과 오버코팅층(20b)의 계면에 위치한다. 한편, 이 히터(12)는 펄스상 전류를 인가하기 위하여 전기선(미도시)에 연결되어 있다.
상기와 같은 구조에 있어서, 매니폴드(16) 및 잉크 채널(13)을 통해 공급된 잉크가 잉크 챔버(15)에 채워진 상태에서, 환상의 히터(12)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(12)에서 발생된 열이 아래의 절연층(20a)을 통해 전달되고 히터(12) 아래의 잉크가 비등하여 버블(B)이 생성된다. 그 후, 히터(12)로부터의 발열이 지속됨에 따라 버블(B)이 팽창하게 되면, 잉크 챔버(15) 내에 채워진 잉크에 압력이 가해져 노즐(11) 부근에 있던 잉크가 노즐(11)을 통해 외부로 잉크 액적(18)의 형태로 토출된다. 그 다음에, 잉크 채널(13)을 통해 잉크가 흡입되면서 잉크 챔버(15)내에 잉크가 다시 채워진다.
이와 같은 종래의 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 반구형 잉크 챔버(15)는 등방성 식각에 의하여 기판(10) 상에 형성되므로 잉크 챔버(15)의 가공시 그 정밀도 및 재현성이 떨어지며, 챔버의 부피측면에서 단위면적당 잉크를 함유할 수 있는 양이 적다. 또한, 이러한 반구형의 잉크 챔버(15)는 버블(B)이 형성되어 히터(12) 주위의 잉크가 버블압에 의하여 밀려날 경우에는 잉크가 잉크 채널(13)로 쉽게 빠져나갈 수 있으며, 잉크가 토출되어 버블(B)이 수축할 경우에는 잉크 챔버(15)로 잉크가 원활하게 채워지기 어려운 구조로 되어 있다.
한편, 상기와 같은 잉크젯 프린트헤드에서는 잉크 채널(13)이 노즐(11)과 일직선 상에 놓여있으므로 잉크 흐름의 방향이 거의 직선적으로 된다. 그러나 이러한 구조에서는 잉크 토출시 잉크의 흐름이 원활하지 못하여 주파수특성이 좋지 않을 수 있다.
또한, 잉크 채널(13)이 기판(10) 상에 하나만 형성되므로 잉크 채널(13)을 통과하는 잉크의 컨덕턴스를 조절하기 어려울뿐만 아니라, 이러한 잉크 채널(13)의 제조공정에 있어서도 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 잉크 챔버 및 잉크 채널의 구조를 개선함으로써 토출성능이 양호한 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 잉크젯 프린트헤드의 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도.
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 평면도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 단면도.
도 5는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 다른 예를 도시한 단면도.
도 6 내지 도 14는 도 4에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들.
도 15 내지 도 19는 도 5에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100... 기판 101... 본딩 패드
102... 매니폴드 103... 잉크 토출부
104... 노즐 106... 잉크 챔버
108... 히터 110... 잉크 채널
112... 전극 114... 노즐판
116... 히터보호층 118... 전극보호층
120... 채널형성층 121... 제 1 물질층
122... 제 2 물질층 125... 노즐가이드
130... 포토레지스트 패턴 140... 트렌치
142... 물질막
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 형상이 실질적으로 원통형인 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성된 기판; 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이에 개재되며, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 채널형성층; 상기 기판의 표면 상에 적층되고, 상기 잉크 챔버의 중앙부와 대응되는 위치에 노즐이 형성된 노즐판; 상기 노즐판의 노즐을 둘러싸도록 형성된 히터; 및 상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비한다.
여기서, 상기 잉크젯 프린트헤드는 상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장 형성된 노즐 가이드를 더 구비할 수 있다.
상기 잉크 채널은 상기 채널형성층에 복수개로 형성되어, 소정 반경의 원주를 따라 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 채널형성층은 상기 기판의 배면에 적층되어 상기 잉크 챔버의 바닥을 이루는 제 1 물질층을 포함하며, 여기서 상기 제 1 물질층은 실리콘 산화물층인 것이 바람직하다. 상기 채널형성층은 상기 제 1 물질층의 버퍼층으로서 상기 제 1 물질층 상에 적층되는 제 2 물질층을 더 포함하며, 여기서 상기 제 2 물질층은 다결정 실리콘층인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,
기판의 표면에 노즐판을 형성하는 단계; 상기 노즐판 상에 히터를 형성하는 단계; 상기 노즐판 상에 상기 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;상기 노즐판을 식각하여 노즐을 형성하는 단계; 상기 기판의 배면을 소정 깊이로 식각하여 매니폴드를 형성하고, 식각된 상기 기판의 배면에 채널형성층을 형성하는 단계; 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여 실질적으로 원통형의 잉크 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 채널형성층에 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 채널형성층을 형성하는 단계는 식각된 상기 기판의 배면에 상기 잉크 챔버의 바닥을 이루는 제 1 물질층을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 제 1 물질층은 플라즈마 화학기상증착법에 의하여 증착된 실리콘 산화물층인 것이 바람직하다. 상기 채널형성층을 형성하는 단계는 상기 제 1 물질층 상에 상기 제 1 물질층의 버퍼층인 제 2 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 여기서 상기 제 2 물질층은 다결정 실리콘층인 것이 바람직하다.
상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는, 상기 제 1 물질층을 에치 스탑층으로 하여 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 실질적으로 원통형의 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함한다.
한편, 상기 잉크 챔버를 형성하는 다른 단계는, 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 이방성 식각된 기판의 전면에 소정 두께로 소정의 물질막을 증착하는 단계; 상기 물질막을 이방성 식각하여 상기 트렌치의 바닥을 노출함과 동시에 상기 트렌치의 측벽에 상기 물질막의 노즐가이드를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 물질층을 에치 스탑층으로 하여 상기 트렌치의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 실질적으로원통형의 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판을 등방성 식각하는 단계는 상기 기판을 XeF2가스를 식각가스로 하여 등방성 건식식각하는 단계인 것이 바람직하다.
상기 잉크 채널을 형성하는 단계에서, 상기 잉크 채널은 상기 채널형성층에 복수개로 형성되며, 여기서 상기 잉크 채널은 소정 반경의 원주를 따라 등간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 잉크 채널은 반응이온식각 또는 레이저가공에 의하여 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버 쪽으로 채널형성층을 식각 또는 가공하여 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭하며, 도면상에서 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.
먼저, 도 2는 본 실시예에 따른 버블젯 방식의 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면도이다.
도 2를 보면, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 점선으로 도시된 잉크 공급을 위한 매니폴드(102) 상에 잉크 토출부(103)들이 2열로 배치되고, 각 잉크토출부(103)와 전기적으로 연결되고 와이어가 본딩될 본딩 패드(101)들이 배치되어 있다. 매니폴드(102)는 잉크를 담고 있는 잉크 컨테이너(미도시)와 연결된다. 도면에서 잉크 토출부(103)들은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 또한, 매니폴드(102)는 잉크 토출부(103)의 각 열마다 하나씩 형성될 수도 있다. 또한, 도면에는 한가지 색상의 잉크만을 사용하는 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있지만, 컬러 인쇄를 위해 각 색상별로 3 또는 4군의 잉크 토출부군이 배치될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 특징부인 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 본 잉크젯 프린트헤드의 수직구조를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기판(100)에는, 그 표면쪽에 잉크가 채워지는 잉크 챔버(106)가 실질적으로 원통형으로 형성되어 있고, 그 배면쪽에는 각 잉크 챔버(106)로 잉크를 공급하는 매니폴드(102)가 형성되어 있다. 여기서, 기판(100)은 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102) 사이에는 잉크 챔버(106)와 매니폴드(102)를 연결하는 잉크 채널(110)이 형성된 채널형성층(120)이 형성된다. 채널형성층(120)은 상기 잉크 챔버(106)의 바닥면을 이루는 제 1 물질층(121)과 상기 제 1 물질층(121) 상에 적층되는 제 2 물질층(122)을 구비한다. 상기 제 1 물질층(121)은 기판(100)을 식각하여 잉크 챔버(106)를 형성하는 과정에서 기판(100)의 에치 스탑층으로서의 역할을 함으로써 잉크 챔버(106)를 실질적으로 원통형으로 형성되게 한다. 이때, 상기 제 1 물질층(121)은 플라즈마 보강 화학기상증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 증착된 산화물층으로서 기판(100)이 실리콘인 경우에는 실리콘 산화물층인 것이 바람직하다. 상기 제 2 물질층(122)은 제 1 물질층(121)의 버퍼층으로서 잉크 채널(110)을 유지하는 역할을 하는 층이며, 기판(100)이 실리콘인 경우에는 다결정 실리콘층인 것이 바람직하다. 한편, 이 채널형성층(120)에는 상기 잉크 챔버(120)와 매니폴드(102)를 연결하는 복수의 잉크 채널(110)이 형성되어 있으며, 이때 상기 복수의 잉크 채널(110)은 소정 반경의 원주를 따라 동일 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 도 3 및 도 4에서는 채널형성층(120)에 4개의 잉크 채널(110)이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 잉크 챔버(106)로 공급되는 잉크의 양을 조절하기 위하여 다양하게 그 개수를 변형할 수 있다.
기판(100)의 표면에는 노즐(104)이 형성된 노즐판(114)이 형성되어, 잉크 챔버(106)의 상부 벽을 이룬다. 노즐판(114)은, 기판(100)이 실리콘으로 이루어진 경우, 실리콘 기판을 산화시켜 형성된 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있고, 기판(100) 상에 증착된 실리콘 질화막 등의 절연막으로 이루어질 수도 있다.
노즐판(114) 위에는 노즐(104)을 둘러싸는 환상의 버블생성용 히터(108)가 형성되어 있다. 이 히터(108)는 불순물이 도핑된 다결정 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 저항 발열체로 이루어지고, 히터(108)에는 펄스상 전류를 인가하기위한 전극(112)이 접속된다. 이 전극(112)은 통상 본딩 패드(도 2의 101) 및 필요한 배선(미도시)과 동일한 물질 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금과 같은 금속으로 이루어진다. 한편, 히터(108) 및 전극(112)을 보호하기 위하여 히터(108) 및 전극(112) 위에는 각각 히터보호층(116) 및 전극보호층(118)이 형성되어 있다.
상기와 같은 구조에서, 모세관 현상에 의해 매니폴드(102)로부터 잉크 채널(110)을 통해 공급된 잉크가 잉크 챔버(106)에 채워진 상태에서, 환상의 히터(108)에 펄스상 전류를 인가하면 히터(108)에서 발생된 열이 아래의 노즐판(114)을 통해 전달되고 히터(108) 아래의 잉크가 비등하여 버블(B')이 생성된다. 이때, 버블(B')의 형상은 대략 도우넛 형상이 된다.
시간이 지남에 따라 버블(B')이 팽창하면, 팽창하는 버블(B')의 압력에 의해서 잉크 챔버(106) 내의 잉크는 노즐(104)을 통하여 토출된다.
다음으로 인가했던 전류를 차단하면 냉각이 되면서 버블(B')은 축소되거나, 아니면 그 전에 터뜨려지고, 잉크 챔버(106) 내에는 다시 잉크가 채워진다.
이상에서 설명된 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크 챔버(106)를 원통형으로 형성함으로써 기존의 반구형 잉크 챔버보다 단위면적당 잉크를 함유할 수 있는 양을 증가 시킬 수 있다. 또한, 원통형의 잉크 챔버(106)는 버블(B') 성장시 잉크의 흐름을 잉크 토출구로 제한하므로 잉크 챔버(106) 내의 잉크가 잉크 채널(110)로 빠져나가는 현상 즉, 잉크의 역류현상을 줄일 수 있어 토출속도, 액적량 등의 토출특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 채널형성층(120)에 형성된 잉크 채널(110)의 개수로 잉크 챔버(106)로공급되는 잉크의 양을 조절함으로써 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면을 도시한 것으로 도 4에 도시된 프린트헤드와 다른 점은, 노즐가이드(125)가 노즐(104)의 가장자리로부터 잉크 챔버(106) 쪽으로 연장 형성되어 있다는 것이다. 이러한 노즐가이드(125)는 버블(B') 성장시 액적의 토출방향을 가이드함으로써 액적이 정확히 기판(100)에 수직한 방향으로 토출되게 한다.
다음으로, 본 발명의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명한다.
도 6 내지 도 14는 도 4에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 본 실시예에서 기판(100)은 그 두께가 대략 500㎛인 실리콘 기판을 사용한다. 이는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이기 때문이다.
이어서, 실리콘 기판(100)을 산화로에 넣고 습식 또는 건식 산화시키면, 실리콘 기판(100)의 표면에 노즐판(114)이 되는 실리콘 산화막이 형성되며, 이 노즐판(114)에는 후에 노즐이 형성된다.
한편, 도 6에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 프린트헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩상태로 제조된다.
이어서, 노즐판(114) 상에 환상의 히터(108)를 형성한다. 이 히터(108)는 실리콘 산화막인 노즐판(114) 전면에 불순물이 도핑된 다결정 실리콘이나 탄탈륨-알루미늄 합금을 증착한 다음 이를 환상으로 패터닝함으로써 형성된다. 구체적으로, 불순물이 도핑된 다결정 실리콘은 저압 화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)으로 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 증착함으로써 대략 0.7~1㎛ 두께로 형성될 수 있다. 히터(108)를 탄탈륨-알루미늄 합금으로 형성하는 경우, 탄탈륨-알루미늄 합금막은 탄탈륨-알루미늄 합금을 타겟으로 하거나, 탄탈륨과 알루미늄을 별도의 타겟으로 하여 스퍼터링(sputtering)방법으로 증착함으로써 대략 0.1~0.3㎛ 두께로 형성될 수 있다. 이 다결정 실리콘막이나 탄탈륨-알루미늄 합금막의 증착두께는, 히터(108)의 폭과 길이를 고려하여 적정한 저항값을 가지도록 다른 범위로 할 수도 있다. 다음으로, 노즐판(114)인 실리콘 산화막 전면에 증착된 다결정 실리콘막 또는 탄탈륨-알루미늄 합금막은, 포토마스크와 포토레지스트를 이용한 사진공정과 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각하는 식각공정에 의해 패터닝된다.
도 7은 도 6의 결과물 전면에 히터를 보호하는 히터보호층을 증착한 후, 전극을 형성하고, 그 전면에 다시 전극을 보호하는 전극보호층을 증착한 상태를 도시한 것이다.
구체적으로, 실리콘 질화막과 같은 히터보호층(116)을 예를 들면 대략 0.5㎛ 두께로 저압 화학기상증착법으로 증착한다. 다음으로 히터(108) 상부에 증착된 히터보호층(116)을 식각하여 전극(112)과 접속될 부분의 히터(108)를 노출한다. 이어서, 전극(112)을 도전성이 좋고 패터닝이 용이한 금속 예컨대, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 대략 1㎛ 두께로 스퍼터링법으로 증착하고 패터닝함으로써 형성한다.이때, 전극(112)을 이루는 금속막은 기판(100) 상의 다른 부위에서 배선(미도시)과 본딩 패드(도 2의 101)를 동시에 이루도록 패터닝된다. 그 다음에, 전극(112)이 형성된 기판(100) 전면에 TEOS(Tetraethylerthosilane) 산화막과 같은 전극보호층(118)을 증착한다. 전극보호층(118)인 상기 TEOS 산화막은 대략 1㎛ 두께로, 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어진 전극과 본딩 패드가 변형되지 않는 범위의 저온 예컨대 400℃ 이하에서 화학기상증착법으로 증착할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 상태에서 노즐을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 히터(108)의 안쪽으로 히터(108)의 직경보다 작은 직경으로 전극보호층(118), 히터보호층(116) 및 노즐판(114)을 순차 식각하여 노즐(104)을 이룰 부분의 기판(100)을 노출한다.
도 9 및 도 10은 기판의 배면을 경사 식각하여 기판의 배면 쪽에 매니폴드를 형성하는 단계를 도시한 것이다. 구체적으로, 실리콘 기판(100)의 배면에 식각마스크 재질로 대략 1㎛ 두께의 실리콘 산화막을 증착하고, 이를 패터닝하여 식각될 영역을 한정하는 식각마스크(123)를 형성한다. 다음으로 상기 식각마스크(123)에 의해 노출된 실리콘 기판(100)을 그 두께가 예를 들면 대략 30~40 ㎛가 되도록 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)를 에칭액(etchant)으로 하여 소정시간 동안 습식식각하거나, 유도결합 플라즈마-반응이온식각(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching; ICP-RIE)에 의하여 건식식각하여 기판(100)의 배면쪽에 매니폴드(102)를 형성한다.
한편, 상기 매니폴드(102)는 도 8의 노즐(104)을 형성하는 단계 이전에기판(100)을 식각함으로써 형성될 수도 있다. 또한, 매니폴드(102)가 기판(100)의 배면을 경사식각하여 형성되는 것을 도시하고 설명하였지만, 경사식각이 아닌 이방성 식각으로 형성될 수도 있다.
도 11은 도 10에 도시된 기판의 배면에 채널형성층(120)을 형성한 상태를 도시한 것으로, 상기 채널형성층(120)은 순차적으로 적층된 제 1 물질층(121) 및 제 2 물질층(122)으로 이루어져 있다. 구체적으로, 식각된 기판(100)의 배면 상에 후술할 잉크 챔버(106)의 바닥면을 이루는 제 1 물질층(121)을 형성한다. 이때, 상기 제 1 물질층(121)은 예를 들면 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의하여 증착된 대략 1㎛ 두께의 실리콘 산화물층으로, 이는 후술할 원통형의 잉크 챔버(106)를 형성하는 과정에서 에치 스탑층의 역할을 하게 된다. 다음으로, 증착된 제 1 물질층(121) 상에 제 2 물질층(122)을 형성한다. 이때, 상기 제 2 물질층(122)은 제 1 물질층(121) 상에 증착된 예를 들면 대략 10㎛ 두께의 다결정 실리콘층으로, 이는 채널형성층(120)에 형성되는 잉크 채널(110)을 유지해주는 제 1 물질층(121)의 버퍼층으로서의 역할을 하게 된다.
도 12는 노즐에 의해 노출된 기판을 식각하여 원통형의 잉크 챔버를 형성한 상태를 도시한 것이다. 잉크 챔버(106)는 노즐(104)에 의해 노출된 기판(100)을 등방성 식각함으로써 형성할 수 있으며, 이때 잉크 챔버(106)의 형상은 실질적으로 원통형이 된다. 구체적으로, 잉크 챔버는 예를 들면 XeF2가스와 같은 식각가스를 사용하여 실리콘 기판(100)을 건식식각하여 형성할 수 있으며, 이때 실리콘 산화물층과 같은 제 1 물질층(121)이 실리콘 기판(100)의 에치 스탑층으로서의 역할을 하게 된다. 따라서 식각이 진행됨에 따라 도 12에 도시된 바와 같이, 그 형상이 실질적으로 원통형인 잉크 챔버(106)가 형성된다.
도 13 및 도 14는 채널형성층(120)을 식각하여 잉크 채널(110)을 형성하는 단계를 도시한 것이다. 구체적으로, 기판(100)의 배면에 형성된 채널형성층(120)의 전면에 예를 들면 포토레지스트 스프레이코팅(spray coating)에 의하여 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 대략 1~2㎛ 두께의 포토레지스트 패턴(130)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(130)은 잉크 채널(110)이 형성될 부위의 채널형성층(120)이 노출되도록 형성된다. 다음으로, 반응이온식각(Reactive Ion Etching:RIE) 등에 의하여 노출된 채널형성층(120)을 식각하여 복수개의 잉크 채널(110)을 형성한다. 한편, 상기 잉크 채널(110)은 레이저를 이용하여 채널형성층(120)을 가공하여 형성할 수도 있다. 도면상에는 소정 반경의 원주를 따라 동일 간격으로 형성된 4개의 잉크 채널(110)이 도시되어 있지만, 잉크 챔버(106)로 공급되는 잉크의 양을 조절하기 위하여 그 개수는 다양하게 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 기판 내에 형성된 잉크 챔버는 그 깊이가 일정하므로 잉크 챔버의 가공이 양호하게 된다. 또한 기존의 기판 표면으로부터 배면쪽으로 기판을 식각하여 잉크 채널을 형성하는 대신, 기판의 배면으로부터 표면쪽으로 채널형성층을 식각하여 잉크 채널을 형성함으로써 보호층이 손상되는 문제를 근본적으로 차단할 수 있다.
도 15 내지 도 19는 도 5에 도시된 구조의 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.
도 5에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 노즐가이드를 형성하는 단계 가 추가되는 것을 제외하고는 전술한 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 제조방법과 동일하다. 즉, 도 11에 도시된 단계까지는 동일하고, 그 이후의 단계에서는 노즐가이드를 형성하는 단계가 추가된다. 따라서, 이하에서는 상기한 차이점을 중심으로 도 5에 도시된 잉크 토출부를 가지는 프린트헤드의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 도 11에 도시된 상태에서 노즐(104)에 의해 노출된 기판(100)을 이방성 식각하여 소정 깊이의 트렌치(140)를 형성한다. 이어서, 그 전면에 도 16에 도시된 바와 같이 소정의 물질막(142), 예컨대 TEOS 산화막을 대략 1㎛의 두께로 증착한다. 그 다음에 상기 물질막(142)을 기판(100)이 노출될 때까지 이방성 식각하면 도 17에 도시된 바와 같이 트렌치(140)의 측벽에 노즐가이드(125)가 형성된다.
다음으로, 도 17에 도시된 상태에서 전술한 방법으로 노즐(104)에 의해 노출된 기판(100)을 등방성 식각하면, 도 18에 도시된 바와 같이 원통형의 잉크 챔버(106)가 형성된다. 다음으로, 도 13에서 설명한 방법과 동일한 방법으로 채널형성층(120)을 식각 또는 레이저 가공하면, 도 19에 도시된 바와 같이 복수의 잉크 채널(110)이 형성된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 잉크젯 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지않은 물질을 사용할 수도 있다. 즉, 기판은 반드시 실리콘이 아니라도 가공성이 좋은 다른 물질로 대체될 수 있고, 히터나 전극, 실리콘 산화막, 질화막 등도 마찬가지이다. 또, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 잉크젯 프린트헤드 제조방법의 각 단계의 순서는 예시된 바와 달리할 수 있으며, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 잉크젯 프린트헤드가 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 예시된 범위를 벗어나 조정가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 잉크 챔버를 원통형으로 형성함으로써 기존의 반구형 잉크 챔버보다 단위 면적당 잉크를 함유할 수 있는 양을 증가시킬 수 있다. 또한 원통형의 잉크 챔버는 버블성장시 잉크의 흐름을 잉크 토출구로 제한 하므로 잉크 챔버 내의 잉크가 잉크 채널로 빠지는 현상 즉, 잉크의 역류현상을 줄일 수 있게 되어 결과적으로 토출속도, 액적량 등의 토출특성을 향상 시킬 수 있다.
아울러, 잉크 채널의 개수를 조절함으로써 잉크 챔버로 공급되는 잉크의 양을 조절할 수 있게 되어 결과적으로 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 잉크젯 프린트헤드 제조방법에 따르면, 기판 내에 형성된 잉크 챔버는 그 깊이가 일정하여 잉크 챔버의 가공이 용이하게 되며, 또한 기존의 기판 표면으로부터 배면쪽으로 기판을 식각하여 잉크 채널을 형성하는 대신, 기판의 배면으로부터 표면쪽으로 채널형성층을 식각하여 잉크 채널을 형성함으로써 보호층이 손상되는 문제를 근본적으로 차단할 수 있다.

Claims (20)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 곳으로 그 형상이 실질적으로 원통형인 잉크 챔버가 그 표면쪽에 형성되고, 상기 잉크 챔버로 잉크를 공급하기 위한 매니폴드가 그 배면쪽에 형성된 기판;
    상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드 사이에 개재되며, 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 채널형성층;
    상기 기판의 표면 상에 적층되고, 상기 잉크 챔버의 중앙부와 대응되는 위치에 노즐이 형성된 노즐판;
    상기 노즐판의 노즐을 둘러싸도록 형성된 히터; 및
    상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐의 가장자리에서 상기 잉크 챔버의 깊이 방향으로 연장 형성된 노즐 가이드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 상기 채널형성층에 복수개로 형성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 소정 반경의 원주를 따라 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 채널형성층은 상기 기판의 배면에 적층되어 상기 잉크 챔버의 바닥을 이루는 제 1 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층은 실리콘 산화물층인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 채널형성층은 상기 제 1 물질층의 버퍼층으로서 상기 제 1 물질층 상에 적층되는 제 2 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 물질층은 다결정 실리콘층인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  9. 기판의 표면에 노즐판을 형성하는 단계;
    상기 노즐판 상에 히터를 형성하는 단계;
    상기 노즐판 상에 상기 히터와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;
    상기 노즐판을 식각하여 노즐을 형성하는 단계;
    상기 기판의 배면을 소정 깊이로 식각하여 매니폴드를 형성하고, 식각된 상기 기판의 배면에 채널형성층을 형성하는 단계;
    상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 식각하여 실질적으로 원통형의 잉크 챔버를 형성하는 단계; 및
    상기 채널형성층에 상기 잉크 챔버와 상기 매니폴드를 연결하는 잉크 채널을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널형성층을 형성하는 단계는 식각된 상기 기판의 배면에 상기 잉크 챔버의 바닥을 이루는 제 1 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 물질층을 형성하는 단계는 식각된 상기 제 1 기판의 배면에 실리콘 산화물을 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의하여 증착하여 실리콘 산화물층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널형성층을 형성하는 단계는 상기 제 1 물질층 상에 상기 제 1 물질층의 버퍼층인 제 2 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 물질층을 형성하는 단계는 상기 제 1 물질층 상에 다결정 실리콘을 증착하여 다결정 실리콘층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  14. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는 상기 제 1 물질층을 에치 스탑층으로 하여 상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 실질적으로 원통형의 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  15. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 잉크 챔버를 형성하는 단계는,
    상기 노즐에 의해 노출된 상기 기판을 소정 깊이로 이방성 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 이방성 식각된 기판의 전면에 소정 두께로 소정의 물질막을 증착하는 단계;
    상기 물질막을 이방성 식각하여 상기 트렌치의 바닥을 노출함과 동시에 상기 트렌치의 측벽에 상기 물질막의 노즐가이드를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 물질층을 에치 스탑층으로 하여 상기 트렌치의 바닥에 노출된 상기 기판을 등방성 식각함으로써 실질적으로 원통형의 상기 잉크 챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판을 등방성 식각하는 단계는 상기 기판을 XeF2가스를 식각가스로 하여 등방성 건식식각하는 단계인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 잉크 채널을 형성하는 단계에서, 상기 잉크 채널은 상기 채널형성층에 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 소정 반경의 원주를 따라 등간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
  19. 제 9 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 반응이온식각에 의하여 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버 쪽으로 상기 채널형성층을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
  20. 제 9 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 잉크 채널은 레이저가공에 의하여 상기 매니폴드로부터 상기 잉크 챔버 쪽으로 상기 채널형성층을 가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드 제조방법.
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