KR20030070616A - 잉크젯 프린트헤드용 노즐 가드 정렬 - Google Patents

잉크젯 프린트헤드용 노즐 가드 정렬 Download PDF

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Abstract

잉크 분사 노즐(22)의 어레이(14)를 구비한 잉크젯 프린터용 프린트헤드는 MEMS 기술로 만들어진다. 정밀한 노즐 구조를 보호하기 위해서, 노즐 가드(80)는 상기 어레이(14)의 외표면을 덮는다. 대응하는 구멍(84)의 어레이가 상기 가드(80)에 형성된다. 상기 가드(80)를 노즐(22)을 떠받치는 실리콘 기판(16)에 부착하기 위해서, 노즐 가드(80) 상의 상보적인 구조와 결합하기 위한 정렬 구조(148)가 형성된다. 상기 노즐(22)과 가드(80)의 각 구멍(84)을 정확하게 일치시키기 위하여, 상기 정렬 구조(148)는 노즐(22)을 형성하기 위해 사용되는 에칭 및 증착기술과 동일한 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드용 노즐 가드 정렬{NOZZLE GUARD ALIGNMENT FOR INK JET PRINTHEAD}
잉크젯 프린터는 프린트 매체의 제조를 위한 잘 알려지고 널리 사용되는 형식이다. 잉크는 프린트헤드 상의 디지털적으로 조절되는 노즐 어레이(an array of nozzles)로 공급된다. 프린트헤드가 매체 상을 지나갈 때, 상기 노즐 어레이로부터 잉크가 분사되어 상기 매체 상에 이미지를 형성한다.
프린터 작업은, 비용, 프린트 품질, 작동속도 및 사용의 용이함과 같은 인자(factors)에 의존한다. 노즐로부터 분사되는 각 잉크 방울의 질량, 빈도 및 속도가 이러한 작업 인자에 영향을 미칠 것이다.
최근, 노즐 어레이는 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(MEMS) 기술을 이용하여 형성되어 왔으며, 이는 마이크론 이하(sub-micron)의 두께를 갖춘 기계적 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는, 피코리터(10-12리터) 범위 크기의 잉크방울을 신속하게 분사할 수 있는 프린트헤드의 제조를 가능하게 한다.
이러한 프린트헤드의 미세(microscopic) 구조는 높은 속도로 상대적으로 저가의 좋은 프린트 품질을 얻을 수 있는 반면, 그 크기로 인하여 노즐이 극도로 취약하고 상처를 입기 쉬워 손가락, 먼지 또는 매체 기판과 약간만 접촉하여도 손상될 수 있다. 이로 인하여, 상기 프린트헤드는 어느 정도의 강도(robustness)가 요구되는 많은 응용분야에 대해서는 비실용적이 될 수 있다. 더욱이, 손상된 노즐은 공급된 잉크를 분사하지 못할 수도 있다. 잉크가 노즐의 외부에 구슬(bead) 모양으로 부착됨에 따라, 주위 노즐로부터의 잉크분사가 영향을 받거나 손상된 노즐로부터 잉크가 프린트될 기판 상으로 누출될 수 있다. 양쪽 상황 모두 프린트 품질에 악영향을 미친다.
이를 해결하기 위해서, 구멍을 가진 가드(apertured guard)를 상기 노즐 위에 고정하여 손상을 입히는 접촉으로부터 노즐을 보호하도록 할 수 있다. 노즐로부터 분사된 잉크는 상기 구멍을 통과하여 종이 또는 다른 프린트될 기판으로 보내진다. 그러나, 효과적으로 노즐을 보호하기 위하여, 상기 구멍은 잉크방울을 통과시키면서도 외부물질의 침입을 최대한 방지할 수 있도록, 가능한 한 작을 것이 요구된다. 바람직하게는, 각 노즐은 가드에 있는 각각의 대응되는 구멍을 통하여 잉크를 분사하여야 한다. 그러나, 종래의 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템장치의 미세한 스케일(scale)에서는, 가드와 노즐 사이의 정렬에 약간의 불일치가 있어도 잉크방울의 통과가 방해받게 된다.
본 발명은 프린트 매체(printed media)의 제조에 관한 것으로, 특히 잉크젯 프린터(ink jet printer)에 관한 것이다.
본 발명에 관계된 여러 방법, 시스템과 장치들이, 본 출원인 또는 양수인에 의하여 제출되어 본 발명과 함께 계류 중인 이하의 출원에 개시되어 있다:
PCT/AU00/00594, PCT/AU00/00595, PCT/AU00/00596, PCT/AU00/00597, PCT/AU00/00598, PCT/AU00/00516, PCT/AU00/00517.
이들 계류 중인 출원에 대한 개시는, 참조를 위하여 본 명세서에 편입되어 있다.
도1은, 잉크젯 프린트헤드용 노즐 어셈블리의 3차원 개략도이고;
도2 내지 도4는, 도1의 노즐 어셈블리의 개략적인 3차원 작동 일례도이고;
도5는, 노즐 가드 또는 격리벽(containment wall)을 구비한 잉크젯 프린트헤드를 구성하는 노즐 어레이의 3차원도이고;
도5a는, 노즐 가드와 격리벽을 구비한 프린트헤드의 3차원 단면도이고;
도5b는, 각 노즐을 격리시키는 격리벽을 가로지르도록 잘리워진 노즐의 평면단면도이고;
도6은, 도5의 어레이의 부분 확대도이고;
도7은, 격리벽이 없는 노즐 가드를 포함한 잉크젯 프린트헤드의 3차원도이고;
도7a는, 노즐 가드와 결합하는 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 정렬 구조을 구비한 잉크젯 프린트헤드의 확대된 3차원도이고;
도8a 내지 도8r은, 잉크젯 프린트헤드의 노즐 어셈블리의 제조단계에 대한 3차원도를 도시하며;
도9a 내재 도9r은, 제조공정에 대한 측단면도를 도시하고;
도10a 내지 도10k는, 상기 제조공정에서 여러 단계에 사용되는 마스크의 레이아웃(layout)을 도시하며;
도11a 내지 도11c는, 도8과 도9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 3차원도를 도시하고;
도12a 내지 도12c는, 도8과 도9의 방법에 따라 제조된 노즐 어셈블리의 작동에 대한 측단면도를 도시한다.
일 측면에 따르면, 본 발명은, 잉크를 프린트될 매체(media) 위로 분사하기 위한 노즐 어레이와; 상기 노즐 어레이에 대응하는 잉크 구멍(aperture) 어레이를 구비하며 구멍이 난 노즐 가드 상의 상보적인 구조와 결합하도록 형성된 정렬 구조;를 포함하며, 상기 정렬 구조와 상보적인 구조는, 상기 잉크 구멍과 노즐이 일치되게 유지되도록 결합함으로써, 상기 노즐 가드가 노즐로부터 매체 상으로 분사되는 잉크의 통상적인 경로를 방해하지 않게 되는 잉크젯 프린터용 프린트헤드를 제공한다.
본 명세서에서 "노즐"이라는 말은 개구부를 형성하는 부재로서 이해되어야 하며, 개구부 자체로 이해되어서는 안된다.
다른 측면에 따르면, 본 발명은, 잉크를 프린트될 매체(media) 위로 분사하기 위한 노즐 어레이를 구비한 프린트헤드와; 상기 노즐 어레이에 대응하는 잉크 구멍(aperture) 어레이를 구비한 구멍을 가진 노즐 가드;를 포함하며, 상기 프린트헤드는 또한, 상기 잉크 구멍과 노즐이 일치되게 유지되도록 상기 구멍을 가진 노즐 가드 상의 상보적인 구조와 상호결합하는 정렬 구조를 포함하여, 상기 노즐 가드가 노즐로부터 매체 상으로 분사되는 잉크의 통상적인 경로를 방해하지 않게 되는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리를 제공한다.
어레이 내의 각 노즐이, 노즐 가드 내의 잉크 구멍 중 하나와 각각 정렬되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 다른 형태에서는, 상기 노즐 가드의 잉크 통로 중 하나와 공유하는(sharing) 둘 이상의 노즐을 구비할 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예에서는, 상기 노즐 어레이는, 정렬 구조가 통합된 실리콘 기판 위에 형성된다. 상기 노즐 가드는 잉크 구멍 어레이를 포함하는 쉴드를 구비할 수 있으며, 상기 쉴드는 정렬 구조와 결합하기 위하여 상기 쉴드로부터 연장되어 일체로 형성된 지주(strut)에 의하여 상기 실리콘 기판으로부터 이격된다. 하나의 편리한 예로서, 상기 정렬 구조는, 상기 잉크 구멍과 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판 상에 놓여지는 이격된 리지(spaced ridge)들일 수 있다.
다른 예로서는, 상기 정렬 구조는, 상기 노즐 가드와 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판에 놓여지는 리세스(recess)일 수 있다. 물론, 본 발명의 다른 형태에서는, 일체로 형성되는 지주가 상기 실리콘 기판으로부터 연장되어 노즐 가드에 형성된 연속적인 리지 또는 리세스와 결합할 수 있다.
특히 바람직한 실시예로서, 상기 정렬 구조가 노즐 어레이가 제조되는 동안 형성되는 것이 좋다. 이 제조 시스템에 의하여 상기 노즐과 통로를 0.1 미크론 내로 정렬시키는 것을 예상할 수 있다. 더욱이, 미세 가공(micro-machining)의 정확성과 용이함, 강도, 강성(rigidity) 및 프린트헤드의 열팽창계수와 부합하는 열팽창계수를 가지도록 상기 노즐 가드를 실리콘으로 만드는 것이 바람직하다.
상기 정렬 구조는 부득이하게 프린트헤드의 표면 영역의 일부를 사용하여 소모하며, 이는 노즐 팩킹(packing) 밀도를 저하시킨다. 여분의 프린트 칩(chip) 영역이 요구되기 때문에 칩 제조원가가 증가된다. 그러나, 프린트헤드와 노즐 가드를 조립하는 종래의 제조방법이 필요로 하는 정확도를 제공할 수 있는 경우에는, 본 발명은 상대적으로 높은 노즐 결함율을 효과적으로 감당할 수 있을 것이다.
노즐 어레이 상에 외부 입자가 부착되는 것을 방지하기 위하여, 상기 노즐 가드는 또한, 유체가 상기 통로로 향하도록 하는 유체 입구 개구부를 포함할 수 있다. 이 실시예에서는, 상기 유체 입구 개구부는 지주에 배열될 수 있다.
공기가 상기 개구부를 관통하여, 상기 노즐 어레이 위를 지나 통로 밖으로 배출될 때, 노즐 어레이 상에 외부 입자가 부착되는 것이 방지된다는 것을 알 수 있다.
상기 유체 입구 개구부는 노즐 어레이의 본딩 패드로부터 멀리 떨어진 지지부재 내에 배열될 수 있다.
상기 프린트헤드에 노즐 가드를 제공함으로써, 많은 다른 표면과의 접촉 또는 충돌로부터 상기 노즐 구조를 보호할 수 있다. 제공되는 보호부를 최대한으로 활용하기 위하여, 상기 가드는 노즐 외측을 덮는 편평한 쉴드를 형성하며, 상기 쉴드는 잉크 방울이 분사될 수 있도록 충분히 크지만, 예기치 않은 접촉 또는 많은 먼지 입자들의 침입을 방지할 수 있도록 충분히 작은 통로 어레이를 구비한다. 상기 쉴드를 실리콘으로 형성함에 의하여, 그 열팽창계수가 실질적으로 노즐 어레이의 열팽창계수와 부합된다. 이는 쉴드의 통로 어레이가 그와 일치하는 노즐 어레이로부터 벗어나는 것을 방지하는데 도움이 될 것이다. 또한, 실리콘을 사용하면, 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템 기술을 사용하여 상기 쉴드를 정확하게 미세 가공할 수 있다. 더욱이, 실리콘은 매우 강하고 실질적으로 변형되지 않는 소재이다.
본 발명을 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명한다.
먼저, 도면 중 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 어셈블리는 일반적으로 참조부호 10으로 명기되어 있다. 잉크젯 프린트헤드는 실리콘 기판(16) 위의 어레이(14)(도5와 도6) 내에 배치된 복수개의 노즐 어셈블리(10)를 구비한다. 상기 어레이(14)는 아래에 더 상세히 기재될 것이다.
상기 어셈블리(10)는, 유전체층(dielectric layer, 18)이 증착된 실리콘 기판 또는 웨이퍼(16)를 포함한다. CMOS 부동태층(passivation layer)(20)은, 상기 유전체층(18) 위에 증착된다.
각 노즐 어셈블리(10)는, 노즐 개구부(24)를 형성하는 노즐(22), 레버 아암(26)의 형태인 연결부재(connecting member)와 액츄에이터(actuator)(28)를 포함하고 있다. 상기 레버 아암(26)은 상기 액츄에이터(28)와 상기 노즐(22)을 연결한다.
도면 중 도2 내지 도4에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)은 그크라운부(crown portion, 130) 및 상기 크라운부에 연결된 스커트부(skirt portion)(32)를 포함한다. 상기 스커트부(32)는, 노즐 챔버(34)의 주벽(peripheral wall) 일부를 형성한다. 상기 노즐 개구부(24)는 상기 노즐 챔버(34)와 유체가 흐르도록 연결된다. 주목할 것은, 상기 노즐 개구부(24)가 상기 노즐 챔버(34) 내에서 잉크체(body of ink)(40)의 메니스커스(meniscus)(38)를 "구속하는" 돌출된 림(raised rim)(36)에 의해 둘러싸여 있다는 것이다.
잉크 입구구멍(ink inlet aperture, 도6에 가장 명확히 도시됨)(42)은, 상기 노즐 챔버(34)의 바닥(floor)(46) 내에 형성된다. 상기 입구구멍(42)은, 기판(16)를 통과하여 형성되는 잉크 입구 채널(48)과 유체가 흐르도록 연결된다.
벽부(wall portion)(50)는, 상기 입구구멍(42)과 경계를 이루고, 상기 바닥부(floor portion)(46)로부터 위쪽으로 연장된다. 상기 노즐(22)의 스커트부(32)는, 상기한 바와 같이, 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제1 부분을 형성하고, 상기 벽부(50)는 상기 노즐 챔버(34)의 주벽의 제2 부분을 형성한다.
상기 벽부(50)는, 이하에서 보다 상세히 기재하는 바와 같이, 상기 노즐(22)이 이동될 때, 잉크가 새는 것을 방지하는 유체 씰(fluidic seal)로서 작용하는 립(lip)(52)이 그 자유단(free end)에서 안쪽을 향해 있다. 상기 립(52)과 상기 스커트부(32) 사이의 적은 치수의 공간과 잉크(40)의 점성 때문에, 안쪽으로 향해 있는 립(52)과 표면장력은, 상기 노즐 챔버(34)로부터 잉크가 새는 것을 방지하기 위한 효과적인 씰로서 작용한다.
상기 액츄에이터(28)는, 열적 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)이며,상기 기판(16), 자세히는 상기 CMOS 부동태층(20)으로부터 위쪽으로 연장되는 앵커(anchor)(54)에 연결된다. 상기 앵커(54)는 상기 액츄에이터(28)와 전기적인 접속을 형성한 도체패드(conductive pad)(56) 위에 실장된다.
상기 액츄에이터(28)는, 제2 수동빔(passive beam)(60) 위에 배열된 제1 능동빔(active beam)(58)을 포함한다. 바람직한 실시예로는, 빔(58, 60)이 모두 질화티타늄(TiN)과 같은 전도성 세라믹 재료로 되거나 전도성 세라믹 재료를 포함하는 것이다.
두 빔(58, 60)은 상기 앵커(54)에 고정된 제1 끝단과 상기 아암(26)과 결합된 대향하는 끝단을 갖는다. 상기 능동빔(58)을 통해 전류가 흐를 때 상기 능동빔(58)의 열팽창이 초래된다. 전류가 흐르지 않는 수동빔(60)은 동일한 속도로 팽창되지 않으므로, 벤딩 모멘트(bending moment)가 상기 아암(26)에 생겨, 도면 중 도3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(22)이 상기 기판(16) 쪽으로 아래로 변위하게 된다. 이로 인해, 도면 중 도3에 62로 도시된 바와 같이, 노즐 개구부(24)를 통해 잉크의 분사를 일으킨다. 열원이 상기 능동빔(58)으로부터 제거될 때, 즉 전류 흐름이 차단됨으로써, 상기 노즐(22)이 도면 중 도4에 도시된 바와 같은 정지 위치로 돌아간다. 상기 노즐(22)이 정지 위치로 돌아갈 때, 잉크 방울(64)은 도면 중 도4에 66로 도시된 바와 같이 잉크 방울의 네크(neck)가 파단된 결과로서 형성된다. 그 다음, 상기 잉크 방울(64)은, 종이와 같은 인쇄 매체 위로 이동한다. 상기 잉크 방울(64)이 형성된 결과로서, 도면 중 도4에 68로 도시된 바와 같이, "음"의 메니스커스(meniscus)를 형성한다. 이러한 "음"의 메니스커스(68)는, 상기 노즐 챔버(34) 내로 상기 잉크(40)의 유입을 초래함으로써, 상기 노즐 어셈블리(10)로부터의 다음 잉크 방울 분사에 대비하여 새로운 메니스커스(38)(도2)가 형성되도록 한다.
도면 중 도5 및 도6을 참조하여, 상기 노즐 어레이(14)를 보다 자세히 설명한다. 상기 어레이(14)는 4색 프린트헤드용이다. 따라서, 상기 어레이(14)는 노즐 어셈블리의 4그룹(70)을 포함하며, 각 색깔당 하나의 그룹이다. 각 그룹(70)은 2열(row)(72, 74)로 배열된 노즐 어셈블리(10)를 갖는다. 하나의 그룹(70)은 도면 중 도6에 보다 자세히 도시되어 있다.
상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위해서, 상기 열 74에 있는 상기 노즐 어셈블리(10)는 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)에 대하여 경사지거나 또는 엇갈리게 놓여 있다. 또한, 상기 열 74에 있는 노즐 어셈블리(10)의 레버 아암(26)이, 상기 열 72에 있는 어셈블리(10)의 인접한 노즐(22) 사이를 지날 수 있도록, 상기 열 72에 있는 노즐 어셈블리(10)는, 서로 충분한 공간을 두고 떨어져 있다. 각 노즐 어셈블리(10)는, 상기 열 72에 있는 노즐(22)이 상기 노즐(22)과 상기 열 74에 있는 인접한 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28) 사이 끼워지도록 실질적으로 아령(dumbbell) 형상으로 되어 있다.
또한, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐(22)의 밀집된 배치를 용이하게 하기 위하여, 각 노즐(22)은 실질적으로 6각형 형상이다.
이 분야의 당업자라면, 상기 노즐(22)이 기판(16) 쪽으로 변위될 때, 사용 시, 상기 노즐 개구부(24)가 상기 노즐 챔버(34)에 대하여 약간의 각도를 이루기때문에, 잉크가 수직에서 약간 벗어나 분사된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도면 중 도5 및 도6에 도시된 배열의 장점은, 상기 열(72, 74)에 있는 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)가 상기 열(72, 74)의 한쪽면에 대해 동일한 방향으로 확장된다는 것이다. 따라서, 상기 열 72의 노즐(22)로부터 분사된 잉크와 상기 열 74의 노즐(22)로부터 분사된 잉크는, 같은 각도로 서로에 대하여 나란히 놓여 있어 개선된 인쇄 품질을 가져온다.
또한, 도면 중 도5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(16)은, 상기 패드(76)를 경유하여 상기 노즐 어셈블리(10)의 액츄에이터(28)에 전기적인 접속을 제공하도록 배열된 본딩패드(76)를 갖는다. 이들 전기적인 접속은 상기 CMOS층(미도시)을 경유하여 형성된다.
도5a 및 도5b를 참조하면, 도5에 도시된 노즐 어레이(14)는, 각 노즐 어셈블리(10)를 둘러싸는 격리 구조(containment formation)를 수용하기 위하여 이격되어 있다. 상기 격리 구조는, 노즐(22)을 둘러싸며, 격리 챔버(146)를 형성하기 위하여 실리콘 기판(16)으로부터 구멍이 형성된 노즐 가드(80)의 아래쪽까지 연장되는 격리벽(144)이다. 노즐 손상으로 인하여 잉크가 적절하게 분사되지 않는다 하더라도, 주위 노즐의 기능에 영향을 미치지 않도록 누설은 제한된다. 또한, 각 격리 챔버(146)가 누설된 잉크의 존재를 탐지하여, 노즐 어레이(14)의 작동을 조절하는 마이크로프로세서로 피드백 신호를 제공하는 능력이 있음을 예상할 수 있다. 내오류기능(fault tolerance facility)을 사용하여, 상기의 손상은 어레이(14) 내의 나머지 노즐에 의하여 보충될 수 있으며, 이에 의하여 프린트 품질을 유지할 수 있다.
상기 격리벽(144)은 부득이하게 실리콘 기판(16)의 일부분을 점유하므로, 어레이의 노즐 팩킹 밀도를 저하시킨다. 이는, 또한 프린트헤드 칩(chip)의 제조원가를 상승시킨다. 그러나, 상기 제조기술이 상대적으로 높은 노즐 마모율을 초래하긴 하지만, 각각의 노즐 격리 구조는 프린트 품질에 미치는 악영향을 피하거나, 적어도 최소화할 수 있게 한다.
이 분야의 당업자라면, 상기 격리 구조가 또한, 노즐 그룹을 격리하도록 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 격리된 노즐 그룹은, 주위 노즐 그룹을 사용하여 손상된 노즐을 보충하는 것이 더욱 어렵다는 것을 제외하고는, 더 나은 노즐 팩킹 밀도를 제공한다.
도면 중 도7을 참조하면, 노즐 어레이의 보호를 위한 노즐 가드가 도시되어 있다. 앞의 도면과 관련하여, 특별한 명기가 없으면, 동일한 참조부호는 동일한 부품을 나타낸다.
노즐 가드(80)는 상기 어레이(14)의 기판(16) 위에 실장된다. 상기 노즐 가드(80)는, 관통하는 복수개의 구멍(84)을 구비한 쉴드(82)를 포함한다. 잉크가 어떤 하나의 노즐 개구부(24)로부터 분사될 때, 상기 잉크가 인쇄 매체에 도달하기 전에 연관된 구멍(84)을 통과하도록, 상기 구멍(84)은 상기 어레이(14)의 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구부(24)와 일치한다.
상기 가드(80)는 실리콘으로서, 종이, 먼지 또는 사용자의 손가락에 접촉으로 인한 손상으로부터 노즐 어레이(14)를 보호하기 위하여 필요한 강도와강성(rigidity)을 가진다. 실리콘으로 가드를 만들기 때문에, 그 열팽창계수는 실질적으로 노즐 어레이의 열팽창계수에 부합하게 된다. 가드를 실리콘으로 한 것은, 프린트헤드가 통상의 작동온도 이상으로 가열됨에 따라, 쉴드(82) 내의 구멍(84)이 상기 노즐 어레이(14)와 일치하지 않게 되는 것을 방지하고자 한 것이다. 실리콘은 또한, 노즐 어셈블리(10)의 제조와 관련하여 이하에서 보다 자세하게 설명될 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템 기술을 이용한 정확한 미세 가공(micro-machining)에 아주 적합하다.
상기 쉴드(82)는, 다리(limb) 또는 지주(strut)(86)에 의해 상기 노즐 어셈블리(10)에 대하여 상대적으로 공간을 두고 실장된다. 하나의 지주(86)는, 그 속에서 형성된 공기입구 개구부(air inlet opening)(88)를 갖는다.
사용 시, 상기 어레이(14)가 작동할 때, 공기는 상기 공기입구 개구부(88)를 통해 공급되어, 상기 구멍(84)을 통과하여 지나는 잉크와 함께 상기 구멍(84)을 강제로 지나게 된다.
상기 잉크 방울(64)의 속도와 다른 속도로 공기가 상기 구멍(84)을 지나도록 공급되기 때문에, 상기 잉크는 공기 속에 부유되어 운반되지 않는다. 예컨대, 상기 잉크 방울(64)은 상기 노즐(22)로부터 약 3m/s의 속도로 분사된다. 공기는 약 1m/s의 속도로 구멍(84)을 통과하여 공급된다.
공기를 공급하는 목적은, 상기 구멍(84)을 외부 입자로부터 깨끗하게 유지하기 위함이다. 먼지 입자와 같은 외부 입자들은 상기 노즐 어셈블리(10) 위에 떨어져, 그 작동에 나쁜 영향을 줄 수 있다는 위험이 존재한다. 상기 노즐 가드(80)에서 공기입구 개구부(88)가 제공되기 때문에, 이러한 문제는 상당히 제거된다.
상기 구멍(84)과 노즐(22) 사이의 정렬은 매우 중요하다. 그러나, 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템 장치의 미세(microscopic) 단위에서는, 노즐 상에 가드(80)를 정확하게 위치시키도록 하기 어렵다. 도7a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼또는 기판(16)에는, 지주(86)의 자유단과 결합하도록 배치되며 서로 이격된 리지(ridge;148)와 같은 정렬 구조(alignment formation)가 제공될 수 있다. 상기 리지(148)는 동일한 에칭 및 증착기술을 사용하여 노즐(22)과 함께 정확하게 형성될 수 있다. 도7a는 폴리이미드와 같은 정렬 리지(148)를 형성하는 희생물질을 도시하고 있다. 다른 정렬방식에서는, 여분의 리지(148)가 도5a 및 도5b에 도시된 격리벽(144)과 결합한다. 이러한 형태에서는, 상기 리지(148)가 일정 표면면적을 점유하여 노즐 팩킹 밀도에 악영향을 미치지만, 각 노즐(22)과 일직선상에 위치하도록 각 구멍(84)을 확실하게 유지할 수 있다.
물론 다른 정렬방식에서는, 웨이퍼 기판(16) 내에 리세스(recess) 또는 소켓(socket)과 같은 정렬 구조가 제공될 수 있으며, 이는 가드(80) 상에 제공되는 상보적인 구조와 결합한다.
CMOS 에칭 및 증착기술을 사용하여 형성되는 정렬 구조는, 0.1㎛ 단위의 정렬 정확도를 제공할 수 있다.
도면 중 도8 내지 도10을 참조하면, 상기 노즐 어셈블리(10)를 제조하기 위한 공정이 기재되어 있다.
우선, 실리콘 기판 또는 웨이퍼(16)로 설명하면, 유전체층(18)은 상기 웨이퍼(16)의 표면 위에 증착된다. 상기 유전체층(18)은 약 1.5마이크론의 CVD 산화물 형태이다. 상기 유전체층(18) 위에는 레지스트(resist)가 스핀코팅되며, 상기 유전체층(18)은 마스크(100)에 노광되고 실질적으로 현상된다.
현상된 후, 상기 유전체층(18)은 실리콘층(16)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭된다. 그 다음, 상기 레지스트는 벗겨지고 상기 유전체층(18)은 청정하게 된다. 이러한 단계에서 잉크 입구구멍(42)이 형성된다.
도8b에는, 약 0.8마이크론의 알루미늄(102)이 상기 유전체층(18) 위에 증착되고 있다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 알루미늄(102)이 마스크(104)로 노광되고 현상된다. 상기 알루미늄(102)은 상기 유전체층(18)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되고, 상기 레지스트는 벗겨지며 디바이스(device)가 청정하게 된다. 이러한 단계에서 본딩패드가 제공되며, 상기 잉크젯 액츄에이터(28)와 상호 접속된다. 이러한 상호 접속은 NMOS 구동 트랜지스터(drive transistor)와 CMOS층(미도시) 내에 만들어진 결선(connection)을 구비한 파워면(power plane)을 연결한다.
약 0.5마이크론의 PECVD 질화물이 CMOS 부동태층(20)으로서 증착된다. 레지스트가 스핀코팅되며, 상기 부동태층(20)은 마스크(106)로 노광되고, 그 후 현상된다. 현상 후, 상기 질화물은 알루미늄층(102)과 입구구멍(42)의 지역에 있는 상기 실리콘층(16)을 향해 플라즈마 에칭된다. 상기 레지스트는 벗겨지며 디바이스는 청정하게 된다.
희생물질(sacrificial material)로 이루진 층(108)이 상기 부동태층(20) 위에 스핀코팅된다. 상기 층(108)은 6마이크론의 감광성 폴리이미드(photo-sensitivepolyimide) 또는 약 4㎛의 고온 레지스트이다. 상기 층(108)은 소프트베이크(softbaked)되며, 그 후 마스크(110)로 노광되고, 그 다음 현상된다. 그 후, 상기 층(108)이 폴리이미드를 포함할 경우 상기 층(108)은 400℃에서 1시간 동안 또는 상기 층(108)이 고온 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크(hardbake)된다.
도면에서 주목해야 할 것은, 수축에 의한 폴리이미드층(108)의 패턴 의존성 변형(pattern-dependent distortion)이 상기 마스크(110)의 설계에서 고려된다는 것이다.
도면 중 도8e에 도시된 바와 같이, 다음 단계에서는, 제2 희생층(second sacrificial layer)(112)이 적용된다. 상기 층(112)은 스핀코팅된 2㎛의 감광성 폴리이미드이거나 약 1.3㎛의 고온 레지스트이다. 상기 층(112)는 소프트베이크되고 마스크(114)로 노광된다. 상기 마스크(114)로 노광된 후, 상기 층(112)은 현상된다. 상기 층(112)이 폴리이미드인 경우에, 상기 층(112)는 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크된다. 상기 층(112)이 레지스트인 경우, 약 1시간 동안 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
그 다음, 0.2마이크론 다층 금속층이 증착된다. 이 층(116)의 일부는 상기 액츄에이터(28)의 수동빔(60)을 형성한다.
상기 층(116)은, 약 300℃에서 1000Å의 질화티타늄(TiN)을 스퍼터링(spttering)하고, 그 후 50Å의 질화탄탈룸(TaN)이 스퍼터링함으로써 형성된다. 또한, 1000Å의 TiN이 더 스퍼터링되고, 그 위에 50Å의 TaN과 다시 1000Å의 TiN이 추가로 스퍼터링된다.
TiN 대신에 사용될 수 있는 다른 재료는 TiB2, MoSi2또는 (Ti, Al)N이다.
그 다음, 상기 층(116)은 마스크(118)로 노광되며, 현상되고, 상기 층(112)을 향해 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(116)에 적용된 레지스트는 경화된 층(108 또는 112)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다.
제3 희생층(120)은, 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 2.6㎛ 고온 레지스트를 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(120)은 소프트베이크되고, 그 후 마스크(122)로 노광된다. 그 다음, 상기 노광된 층은 현상되며 하드베이크된다. 폴리이미드의 경우, 상기 층(120)은 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 상기 층(120)이 레지스트를 포함한 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
제2 다층 금속층(124)이 상기 층(120)에 적용된다. 상기 층(124)의 구성은 상기 층(116)과 같으며, 동일한 방식으로 적용된다. 상기 층(116, 124)은 모두 전기적 전도층이다.
상기 층(124)는, 마스크(126)로 노광된 후 현상된다. 상기 층(124)은 상기 폴리이미드 또는 레지스트층(120)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭되며, 그 후 상기 층(124)에 적용된 레지스트는 상기 경화된 층(108 또는 120)이 제거되지 않도록 주의하면서 습식으로 벗겨진다. 상기 층(124)의 나머지 부분은 상기 액츄에이터(28)의 능동빔(58)을 형성한다.
제4 희생층(128)은 4㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 2.6㎛의 고온 레지스트를 스핀코팅하여 적용된다. 상기 층(128)은 소프트베이크되며, 마스크(130)로 노광되고, 그 후 도면 중 도9k에 도시된 바와 같은 섬 부분(island portion)이 남도록 현상된다. 상기 층(128)의 나머지 부분은 폴리이미드인 경우 약 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
도8l에 도시된 바와 같이, 높은 영률의 유전체층(132)이 증착된다. 상기 층(132)은 약 1㎛의 질화실리콘 또는 산화알루미늄으로 구성된다. 상기 층(132)은 상기 희생층(108, 112, 120, 128)의 하드베이크 온도(hardbake temperature) 아래의 온도에서 증착된다. 이러한 유전체층(132)에 요구되는 주된 특징은 고탄성율, 화학적 불활성 및 TiN과의 양호한 접합성이다.
제5 희생층(134)은 2㎛의 감광성 폴리이미드 또는 약 1.3㎛의 고온 레지스트로 스핀코팅함으로써 적용된다. 상기 층(134)은 소프트베이크되며, 마스크(136)로 노광되고 현상된다. 상기 층(134)의 나머지 부분은 폴리이미드인 경우 1시간 동안 400℃에서 하드베이크되거나, 레지스트인 경우 300℃보다 높은 온도에서 하드베이크된다.
상기 유전체층(132)은 어떠한 희생층(134)도 제거되지 않도록 주의하면서 상기 희생층(128)을 향하여 아래로 플라즈마 에칭된다.
이러한 단계는 상기 노즐 어셈블리(10)의 노즐 개구부(24), 레버 아암(26) 및 앵커(54)를 형성한다.
높은 영률의 유전체층(138)이 증착된다. 상기 층(138)은 상기 희생층(108, 112, 120 및 128)의 하드베이크 온도 이하의 온도에서 약 0.2㎛의 질화실리콘 또는질화알루미늄을 증착함으로써 형성된다.
그 다음, 도면 중 도8p에 도시된 바와 같이, 상기 층(138)은 0.35마이크론의 깊이로 이방적(異方的)으로 플라즈마 에칭된다. 이 에칭은 상기 유전체층(132) 및 희생층(134)의 측벽을 제외한 모든 표면으로부터 유전물질을 제거하려는 것이다. 이러한 단계에서는 상술한 바와 같이, 상기 노즐 개구부(24) 둘레에 잉크의 메니스커스를 "구속하는" 노즐 림(nozzle rim)(36)을 형성한다.
자외선(UV) 릴리스 테이프(release tape)(140)가 적용된다. 4㎛의 레지스트가 상기 실리콘 웨이퍼(16)의 배면에 스핀코팅된다. 상기 웨이퍼(16)는 마스크(142)로 노광하고, 상기 웨이퍼(16)를 백에칭(back etching)하여 상기 잉크 입구 채널(48)을 형성한다. 그 다음, 상기 레지스트는 상기 웨이퍼(16)로부터 벗겨진다.
또 다른 UV 릴리스 테이프(미도시)가 상기 웨이퍼(16)의 배면에 적용되고, 상기 테이프(140)는 제거된다. 상기 희생층(108, 112, 120, 128 및 134)은, 도면 중 도8r과 도9r에 도시된 바와 같이, 최종 노즐 어셈블리(10)를 제공하기 위하여 산소 플라즈마로 벗겨진다. 쉽게 참조하기 위하여, 이들 두개 도면에서 예시된 참조부호들은 상기 노즐 어셈블리(10)의 관련 부품을 나타내기 위하여 도면 중 도1의 그것과 동일하다. 도11 및 도12는, 도8과 도9에 관하여 상술한 공정에 의해 제조된 상기 노즐 어셈블리(10)의 작동을 도시하고 있으며, 이들 도면들은 도면 중 도2 내지 도4에 대응한다.
명백히 기재된 바와 같이, 이 기술분야의 당업자라면, 본 발명의 요지 및 영역을 벗어나지 않고 상기 특정한 실시예에서 도시된 본 발명에 대한 여러 실시예 및/또는 변형예들을 만들 수 있다고 여겨진다. 따라서, 본 발명의 실시예는 모든 관점에서 한정되는 것이 아니라 예시적으로 생각되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 잉크를 프린트될 매체(media) 위로 분사하기 위한 노즐 어레이와;
    상기 노즐 어레이에 대응하는 잉크 구멍(aperture) 어레이를 구비하며 구멍이 난 노즐 가드 상의 상보적인 구조와 결합하도록 형성된 정렬 구조;를 포함하며,
    상기 정렬 구조와 상보적인 구조는, 상기 잉크 구멍과 노즐이 일치되게 유지되도록 결합함으로써, 상기 노즐 가드가 노즐로부터 매체 상으로 분사되는 잉크의 통상적인 경로를 방해하지 않게 되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    어레이 내의 각 노즐이, 노즐 가드 내의 잉크 구멍 중 하나와 각각 정렬되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 어레이는, 정렬 구조가 통합된 실리콘 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐 가드는 잉크 구멍 어레이를 포함하는 쉴드를 구비하며, 상기 쉴드는 정렬 구조와 결합하기 위하여 상기 쉴드로부터 연장되어 일체로 형성된 지주(strut)에 의하여 상기 실리콘 기판으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 정렬 구조는, 상기 잉크 구멍과 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판 상에 놓여지는 이격된 리지(spaced ridge)들인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 정렬 구조는, 상기 노즐 가드와 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판에 놓여지는 리세스(recess)인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  7. 제4항에 있어서,
    일체로 형성되는 지주가 상기 실리콘 기판으로부터 연장되어 노즐 가드에 형성된 리지 또는 리세스와 결합하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정렬 구조는 노즐 어레이가 제조되는 동안 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 가드는 실리콘으로 만들어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드.
  10. 잉크를 프린트될 매체(media) 위로 분사하기 위한 노즐 어레이를 구비한 프린트헤드와; 상기 노즐 어레이에 대응하는 잉크 구멍(aperture) 어레이를 구비한 구멍을 가진 노즐 가드;를 포함하며
    상기 프린트헤드는 또한, 상기 잉크 구멍과 노즐이 일치되게 유지되도록 상기 구멍을 가진 노즐 가드 상의 상보적인 구조와 상호결합하는 정렬 구조를 포함하여, 상기 노즐 가드가 노즐로부터 매체 상으로 분사되는 잉크의 통상적인 경로를 방해하지 않게 되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    어레이 내의 각 노즐이, 노즐 가드 내의 잉크 구멍 중 하나와 각각 정렬되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 노즐 어레이는, 정렬 구조가 통합된 실리콘 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 노즐 가드는 잉크 구멍 어레이를 포함하는 쉴드를 구비하며, 상기 쉴드는 정렬 구조와 결합하기 위하여 상기 쉴드로부터 연장되어 일체로 형성된 지주(strut)에 의하여 상기 실리콘 기판으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 정렬 구조는, 상기 잉크 구멍과 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판 상에 놓여지는 이격된 리지(spaced ridge)들인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 정렬 구조는, 상기 노즐 가드와 노즐 어레이와의 정렬을 유지하기 위하여, 지주의 측면에 슬라이딩 가능하게 결합되도록 실리콘 기판에 놓여지는 리세스(recess)인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  16. 제12항에 있어서,
    일체로 형성되는 지주가 상기 실리콘 기판으로부터 연장되어 노즐 가드에 형성된 리지 또는 리세스와 결합하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 정렬 구조는 노즐 어레이가 제조되는 동안 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 노즐 가드는 실리콘으로 만들어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드 어셈블리.
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