KR20040071004A - 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드는, 잉크 공급을 위한 매니폴드가 형성된 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 일체로 형성된 감광성 폴리머층으로 이루어지며, 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 잉크챔버의 상부에 배치되어 잉크챔버로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐과, 매니폴드 위에 형성되는 잉크채널과, 잉크챔버와 잉크채널을 연결하는 리스트릭터를 한정하는 유로 플레이트와, 잉크챔버의 바닥에 배치되어 잉크챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터와, 히터에 전기적으로 연결되어 히터에 전류를 인가하는 배선을 구비한다. 이와 같은 구성에 의하면, 단일 웨이퍼 상에서 일련의 반도체 공정으로 잉크젯 프린트헤드를 구현할 수 있어서 잉크챔버와 노즐이 오정렬되는 종래의 문제점이 해소될 뿐만 아니라 제조 공정이 단순화되고 대량 생산이 가능하게 된다.

Description

모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법{Monolithic inkjet printhead and method of manufacturing thereof}

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 공정에 의해 실리콘 기판 상에 일체로 형성되는 열구동 방식의 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

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.

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 버블은팽창하여 잉크챔버 내부에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크챔버 밖으로 토출된다.

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.

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 노즐들 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 배치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크챔버에 잉크가 리필되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크와 히터의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례로서, 미국특허 US 4,882,595호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타내 보인 절개 사시도 및 그 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a와 도 1b를 참조하면, 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10) 위에 설치되어 잉크(29)가 채워지는 잉크챔버(26)를 한정하는 격벽(14)과, 잉크챔버(26) 내에 설치되는 히터(12)와, 잉크 액적(29')이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(18)를 구비하고 있다. 상기 히터(12)에 펄스 형태의 전류가 공급되어 히터(12)에서 열이 발생되면 잉크챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)가 가열되어 버블(28)이 생성된다. 생성된 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 잉크 액적(29')이 외부로 토출된다. 그 다음에, 매니폴드(22)로부터 잉크채널(24)을 통해 잉크챔버(26) 내부로 잉크(29)가 흡입되어 잉크챔버(26)는 다시 잉크(29)로 채워진다.

그런데, 이러한 구조를 가진 종래의 탑-슈팅 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제조하기 위해서는, 기판(10)에 잉크챔버(26)와 잉크채널(24) 등을 형성한 후, 이 기판(10) 상에 노즐(16)이 형성된 노즐 플레이트(18)를 별도로 제작하여 본딩하여야 하므로, 제조 공정이 복잡하고 기판(10)과 노즐 플레이트(18)의 본딩시에 오정렬의 문제가 발생될 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 반도체 공정에 의해 기판 상에 그 구성요소들이 일체화되어 형성될 수 있는 새로운 구조를 가진 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기한 구조를 가진 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례를 나타내 보인 절개 사시도 및 잉크 액적 토출 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면 구조를 도시한 도면이다.

도 3a와 도 3b는 각각 도 2에 표시된 A-A'선과 B-B'선을 따른 본 발명의 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도들이다.

도 4 내지 도 22는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 제조방법의 제1 실시예를 단계적으로 설명하기 위한 단면도들이다.

도 23과 도 24는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 제조방법의 제2 실시예를 단계적으로 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

102...매니폴드 103...잉크채널

104...리스트릭터 105...잉크챔버

106...노즐 110...실리콘 기판

112...확장 공간 121,123,126,128...절연층

122...히터(층) 124...폴리실리콘층

125...epi-폴리실리콘층 127...배선(층)

130...유로 플레이트(감광성 폴리머층)

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

잉크 공급을 위한 매니폴드가 형성된 실리콘 기판;

상기 실리콘 기판상에 일체로 형성된 감광성 폴리머층으로 이루어지며, 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버의 상부에 배치되어 상기 잉크챔버로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐과, 상기 매니폴드 위에 형성되는 잉크채널과, 상기 잉크챔버와 상기 잉크채널을 연결하는 리스트릭터를 한정하는 유로 플레이트;

상기 잉크챔버의 바닥에 배치되어 상기 잉크챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터; 및

상기 히터에 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 배선;을 구비하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 감광성 폴리머는 폴리이미드인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 배선은 상기 잉크챔버의 측면 하단부에서 상기 히터의 단부에 접속되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판의 상면쪽에는 상기 매니폴드의 양측면에서 상기 잉크챔버의 아래쪽으로 확장된 공간이 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은 상기한 구조를 가진 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,

(가) 실리콘 기판 상에 히터층을 형성한 후, 상기 히터층을 패터닝하여 잉크챔버가 형성될 부위에만 잔존시키는 단계;

(나) 상기 기판 상에 폴리실리콘층을 형성한 후, 상기 폴리실리콘층을 잉크챔버, 리스트릭터 및 잉크채널의 평면 형상으로 패터닝하는 단계;

(다) 상기 폴리실리콘층을 에피텍시 공정에 의해 성장시켜 epi-폴리실리콘층을 형성하는 단계;

(라) 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 상기 히터층의 단부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;

(마) 잉크챔버가 형성될 부위의 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 상기 콘택홀을 통해 상기 히터층의 노출된 단부에 연결되는 배선층을 형성하는 단계;

(바) 상기 기판 상에 상기 epi-폴리실리콘층을 둘러싸는 감광성 폴리머층으로 이루어진 유로 플레이트를 형성하는 단계;

(사) 상기 감광성 폴리머층에 노즐을 형성하는 단계;

(아) 상기 노즐을 통해 상기 epi-폴리실리콘층을 식각하여 잉크챔버, 리스트릭터 및 잉크채널을 형성하는 단계; 및

(자) 상기 기판의 배면을 식각하여 상기 잉크채널에 연결되는 매니폴드를 형성하는 단계;를 구비한다.

상기 (가) 단계에서, 상기 기판의 상면에 제1 절연층을 형성하고, 상기 제1 절연층 위에 상기 히터층을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 (나) 단계 전에, 상기 히터층과 상기 제1 절연층 위에 제2 절연층을 형성한 후, 리스트릭터와 잉크채널이 형성될 부위의 상기 기판이 노출되도록 상기 제2 절연층과 제1 절연층을 부분적으로 식각하여 제거하는 단계;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (라) 단계 전에, 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 제3 절연층을 형성하는 단계;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (마) 단계에서, 상기 배선층을 형성한 후, 그 외측면에 제4 절연층이 형성될 수 있다.

또한, 상기 (바) 단계에서, 상기 감광성 폴리머층은 상기 epi-폴리실리콘층의 상면을 소정 두께로 덮을 수 있도록 형성될 수 있으며, 상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 상기 epi-폴리실리콘층의 상면에 형성된 상기 감광성 폴리머층을 수직으로 관통하도록 형성될 수 있다.

한편, 상기 (바) 단계에서, 상기 epi-폴리실리콘층을 식각하여 상기 노즐이 형성될 부위의 둘레에 소정 깊이의 트랜치를 형성한 후, 상기 감광성 폴리머층을 상기 트랜치 내부를 채우면서 상기 epi-폴리실리콘층의 높이까지 형성할 수 있으며, 상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 상기 트랜치에 의해 둘러싸인 상기 epi-폴리실리콘층을 식각함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 (사) 단계는 상기 (아) 단계와 동시에 수행될 수 있다.

또한, 상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 출구쪽으로 가면서 점차 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (아) 단계에서, 상기 epi-폴리실리콘층은 등방성 건식 식각에 의해 제거될 수 있다. 이 경우, 상기 등방성 건식 식각에 의해 상기 기판의 상면쪽에 상기 잉크챔버의 아래쪽으로 확장된 공간이 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 평면 구조를 도시한 도면이고, 도 3a와 도 3b는 각각 도 2에 표시된 A-A'선과 B-B'선을 따른 본 발명의 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도들이다.

먼저 도 2를 참조하면, 칩 상태로 제조되는 잉크젯 프린트헤드에서는, 잉크 토출부들(100)이 2열로 배치되고, 양측 가장자리에는 각 잉크 토출부(100)와 전기적으로 연결되는 본딩 패드들(109)이 배치된다. 도면에서, 잉크 토출부들(100)은 2열로 배치되어 있지만, 1열로 배치될 수도 있고, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배치될 수도 있다. 그리고, 도시되지는 않았지만 잉크 토출부들(100)과 본딩 패드들(109) 사이에는 각 잉크 토출부(100)를 구동시키기 위한 파워 TR와 로직 회로 등이 마련된다. 각 잉크 토출부(100)에는, 잉크가 채워지는 잉크챔버(105)와, 잉크가 토출되는 노즐(106)과, 잉크챔버(105)와 잉크채널(103)을 연결하는 리스트릭터(104)가 마련된다. 이와 같은 잉크 유로의 구성에 의해, 미도시된 잉크 저장고로부터 잉크채널(103)과 리스트릭터(104)를 통해 각 잉크챔버(105)에 잉크가 공급된다. 한편, 도시된 바와 같이 잉크채널(103) 양측의 리스트릭터들(104)은 서로 어긋나게 배치된다. 이는 잉크 토출과정에서 인접한 잉크 토출부들(100) 사이의 간섭(cross talk)을 억제하기 위한 것이다.

이어서 도 3a와 도 3b를 함께 참조하며, 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 상세 구조를 설명한다. 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드는, 실리콘 기판(110) 상에 유로 플레이트(130)가 일체로 적층된 구조를 가진다. 상기 실리콘 기판(110)에는 매니폴드(102)가 형성되고, 상기 유로 플레이트(130)에는 잉크채널(103)과 리스트릭터(104)와 잉크챔버(105)와 노즐(106)이 형성된다. 상기 매니폴드(102), 잉크채널(103), 리스트릭터(104), 잉크챔버(105) 및 노즐(106)은 차례로 연결되어 잉크 유로를 이루게 된다. 그리고, 상기 잉크챔버(105)의 바닥에는 히터(122)가 배치되어 있으며, 히터(122)에는 배선(127)이 접속되어 있다.

상기 실리콘 기판(110)으로는 집적회로의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 상기 기판(110)에는 잉크를 저장하는 잉크 저장고(미도시)와 연결된 매니폴드(102)가 기판(100)을 수직하게 관통하여 형성된다. 그리고, 상기 기판(110)의 상면쪽에는, 상기 매니폴드(102)의 양측에 잉크챔버(105)의 아래쪽으로 확장된 공간(112)이 형성된다. 이 공간(112)에 의해 후술하는 바와 같이 히터(122)와 그 주변의 열이 보다 빨리 방출될 수 있게 된다.

상기 유로 플레이트(130)는 노즐(106), 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)을 둘러싸서 한정하며, 상기 실리콘 기판(110) 상에 일체로 형성된감광성 폴리머층으로 이루어진다. 상기 감광성 폴리머로는 폴리이미드가 사용될 수 있다.

상기 잉크챔버(105)는 토출될 잉크가 채워지는 공간으로, 매니폴드(102)로부터 잉크채널(103)과 리스트릭터(104)를 통해 잉크를 공급받는다. 상기 잉크챔버(105)는 도시된 바와 같이 사각형 단면 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다각형이나 원형의 평면 형상을 가질 수 있다.

상기 잉크챔버(105)의 바닥에는, 즉 기판(110)의 상부에는 잉크챔버(105) 내부의 잉크를 가열하기 위한 열에너지를 공급하는 히터(122)가 배치된다. 상기 히터(122)는 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride), 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)와 같은 저항 발열체로 이루어진다. 상기 히터(122)는 잉크챔버(105)와 같이 사각형으로 형성될 수 있으며, 또는 다른 형상, 예컨대 다각형이나 원형으로 형성될 수도 있다. 그리고, 상기 히터(122)는 그 상부와 하부에 형성된 절연층들(121, 123)에 의해 기판(110)과 잉크챔버(105) 내의 잉크와 절연된다. 상기 절연층들(121, 123)은 실리콘 산화막이나 질화막으로 이루어질 수 있다.

상기 잉크챔버(105)의 측면 하단부에는 상기 히터(122)에 전류를 공급하기 위한 배선(127)이 배치되어 상기 히터(122)의 바깥쪽 단부에 접속된다. 상기 배선(127)은 도전성이 우수한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 배선(127)은 그 주위에 형성된 절연층들(121, 126, 128)에 의해 기판(110), 유로 플레이트(130) 및 잉크챔버(105) 내의 잉크와 절연된다. 상기 절연층들(121, 126, 128)도 실리콘 산화막이나 질화막으로 이루어질 수 있다. 한편, 도시되지는 않았지만 상기 기판(110)의 상면에는 프린트헤드를 구동시키기 위한 반도체 소자, 즉 파워 TR이나 로직 회로가 형성되는데, 이러한 구동 회로에 상기 배선(127)이 접속된다.

상기 잉크채널(103)은 상기 매니폴드의 위쪽에 배치되어 상기 매니폴드(102)와 수직으로 연결되며, 잉크챔버(105)와 동일 평면상에 형성된다. 그리고. 상기 잉크채널(103)은 2열로 배열된 잉크챔버들(105) 사이에 배치된다.

상기 리스트릭터(104)는 잉크채널(103)과 잉크챔버(105)를 연결하는 통로로서, 잉크챔버(105)와 동일 평면상에 형성된다. 그리고, 잉크의 토출시 압력에 의해 잉크가 역류하는 것을 방지하기 위해, 상기 리스트릭터(104)는 잉크챔버(105)의 폭에 비해 좁은 폭을 가지는 것이 바람직하다.

상기 노즐(106)은 상기 잉크챔버(105)로부터 잉크의 토출이 이루어지는 곳으로, 상기 유로 플레이트(103)의 잉크챔버(105)의 상부벽을 이루는 부위에 수직으로 관통되어 형성된다. 상기 노즐(106)은 잉크챔버(105)의 중심에 대응하는 위치에 배치되며, 그 단면 형상은 원형으로 된 것이 바람직하다. 한편, 노즐(106)의 단면 형상은 원형이 아니더라도 타원형이나 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 그리고, 노즐(106)의 길이는 충분히 길게 형성하는 것이 노즐(106)을 통해 토출되는 잉크의 직진성이 향상되므로 바람직하다.

상기한 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드에서 잉크가 토출되는 메카니즘은 다음과 같다.

도 3a와 도 3b를 참조하면, 잉크챔버(105)와 노즐(106) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, 배선(127)을 통해 히터(122)에 펄스 형태의 전류가 인가되면 히터(122)에서 열이 발생된다. 발생된 열은 잉크챔버(105) 내부의 잉크로 전달되고, 이에 따라 잉크가 비등하여 버블이 생성된다. 생성된 버블은 계속적인 열의 공급에 따라 팽창하게 되고, 이러한 버블의 팽창력에 의해 잉크챔버(105) 내부의 잉크가 노즐(106)을 통해 외부로 토출된다. 이어서, 인가했던 전류를 차단하면, 잉크가 냉각되면서 버블은 수축하여 소멸되고, 히터(122)와 그 주변에 잔류된 열은 기판(110)과 잉크챔버(105) 내부의 잉크를 통해 전도되어 방출된다. 이 때, 히터(122)의 아래쪽에도 잉크가 채워진 공간(112)이 형성되어 있으므로, 이를 통해 열의 방출이 보다 빨리 이루어지게 된다. 따라서, 히터(122)와 그 주변의 온도가 보다 빠르게 초기상태로 돌아갈 수 있게 된다. 이 과정중에, 잉크챔버(105) 내부는 매니폴드(102)로부터 잉크채널(103)과 리스트릭터(104)를 통해 공급되는 잉크로 다시 채워진다. 잉크의 리필이 완료되어 초기상태로 복귀하게 되면, 상기한 과정이 반복된다.

이하에서는 상기한 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 바람직한 제조방법을 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 22는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 제조방법의 제1 실시예를 단계적으로 설명하기 위한 단면도들이다. 도면들에서 왼쪽 그림은 도 2에 표시된 A-A'선을 따른 단면도들이고, 오른쪽 그림은 도 2에 표시된 B-B'선을 따른 단면도들이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 본 실시예에서 기판(110)으로는 실리콘 기판을 대략 300 ~ 500㎛ 정도의 두께로 가공하여 사용한다. 이는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이다.

한편, 도 4에 도시된 것은 실리콘 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는 하나의 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조될 수 있다.

그리고, 준비된 실리콘 기판(110)의 상면에 제1 절연층(121)을 형성한다. 상기 제1 절연층(121)은 실리콘 산화막 또는 질화막으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 실리콘 산화막이나 질화막은 기판(110)의 상면을 산화시키거나 기판(110)의 상면에 질화물을 증착함으로써 형성될 수 있다.

이어서, 기판(110)의 상면에 형성된 제1 절연층(121) 위에 히터층(122)을 형성한다. 상기 히터층(122)은 제1 절연층(121)의 전표면에 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)등의 저항 발열물질을 스퍼터링(sputtering)이나 화학기상증착법(CVD; Chemical vapor deposition) 등에 의해 대략 0.1 ~ 0.3㎛ 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 히터층(122) 위에 포토레지스트(PR)를 도포한 후, 이를 잉크챔버(도 2의 105)의 평면 형상으로 패터닝한다. 상기 포토레지스트(PR)는 포토마스크를 이용하는 노광공정과 현상공정에 의해 패터닝될 수 있다. 이 때, 포토레지스트(PR)를 잉크챔버(105)보다 약간 넓게패터닝한다. 이는 도 14의 단계에서 배선층(127)을 형성할 때, 상기 배선층(127)이 히터층(122)에 연결될 수 있도록 하기 위한 것이다. 이와 같이 패터닝된 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 히터층(122)의 노출된 부분을 식각하여 제거한 후, 포토레지스트(PR)를 제거한다. 그러면, 히터층(122)은 잉크챔버(105)가 형성될 부위에만 잔존하게 되고, 그 이외의 부위에는 제1 절연층(121)이 노출된다.

도 6은 상기 히터층(122)과 노출된 제1 절연층(121) 위에 제2 절연층(123)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 제2 절연층(123)은 상기 제1 절연층(121)과 같이 실리콘 산화막이나 질화막으로 이루어질 수 있다.

도 7은 상기 제2 절연층(123)과 제1 절연층(121)을 부분적으로 식각하여 제거한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 제2 절연층(123) 위에 포토레지스트(PR)를 도포한 후, 이를 패터닝하여 리스트릭터(도 2의 104)와 잉크채널(도 2의 103)이 형성될 부위에 위치한 제2 절연층(123)을 노출시킨다. 이와 같이 패터닝된 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 제2 절연층(123)의 노출된 부분과 그 아래의 제1 절연층(121)을 식각한다. 이 때, 상기 히터층(122)이 외부로 노출되지 않도록 한다. 그러면, 리스트릭터(104)와 잉크채널(103)이 형성될 부위에 실리콘 기판(110)이 노출된다. 이어서, 포토레지스트(PR)를 제거한다.

다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 7의 결과물 전 표면에 폴리실리콘층(124)을 증착한다. 이어서, 상기 폴리실리콘층(124) 위에 포토레지스트(PR)를 도포한 후, 이를 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)의 평면 형상으로 패터닝한다.

이와 같이 패터닝된 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 상기 폴리실리콘층(124)을 식각한 후 포토레지스트(PR)를 제거하면, 도 9에 도시된 바와 같이 제2 절연층(123)과 노출된 실리콘 기판(110) 위에 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)의 평면 형상을 가지는 폴리실리콘층(124)이 형성된다.

도 10은 에피텍시(epitaxy) 공정에 의해 상기 폴리실리콘층(124)을 두꺼운 두께로 성장시킨 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 에피텍시(epitaxy) 공정에 의해 상기 폴리실리콘층(124)을 두꺼운 두께, 예컨대 수십 ㎛ 정도의 두께로 성장시켜 epi-폴리실리콘층(125)을 형성한다. 이 때, epi-폴리실리콘층(125)의 두께는 이후에 형성될 잉크챔버(105)와 노즐(106)의 높이를 고려하여 정하여진다. 그리고, epi-폴리실리콘층(125)의 상면은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의해 평탄화될 수 있다. 이와 같이 형성된 epi-폴리실리콘층(125)은 후술하는 바와 같이 도 21의 단계에서 제거됨으로써 노즐(106), 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)을 이루는 공간을 형성하는 희생층의 역할을 하게 된다.

다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 절연층(123) 위에 포토레지스트(PR)를 도포한 후, 이를 패터닝하여 헤드 칩의 가장자리 부위의 제2 절연층(123)을 노출시킨다. 이어서, 상기 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 노출된 제2 절연층(123)과 그 아래의 제1 절연층(121)을 식각한 후, 포토레지스트(PR)를 제거한다. 그러면, 헤드 칩의 가장자리 부위에 실리콘 기판(110)이 노출된다.

도 11의 상태에서, 노출된 실리콘 기판(110)의 표면에는 도시되지는 않았지만 프린트헤드를 구동시키기 위한 반도체 소자, 즉 파워 TR이나 로직 회로를 형성하게 된다. 그러면, 도 12에 도시된 바와 같이, 도 11의 결과물 전 표면에 제3 절연층(126)이 형성된다. 상기 제3 절연층(126)은 상기 파워 TR이나 로직 회로를 형성할 때, 금속과 금속 사이의 절연막(IMD; Inter Metal Dielectric)이나 금속과 게이트 또는 액티브 사이의 절연층(ILD; Inter Layer Dielectric)으로서 형성된 것이다.

도 13은 상기 히터층(122)과 상기한 반도체 소자와의 접속을 위한 콘택홀(C)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 제3 절연층(126)의 전 표면에 포토레지스트(PR)를 도포한 후, 이를 패터닝하여 제3 절연층(126) 중 epi-폴리실리콘층(125)의 상면과 바깥쪽 측면에 형성된 부분을 노출시킨다. 이어서, 상기 포토레지스트(PR)를 식각 마스크로 하여 노출된 제3 절연층(126)과 그 아래의 제2 절연층(123)을 식각한 후, 포토레지스트(PR)를 제거한다. 이 때, 상기 제3 절연층(126)과 제2 절연층(123)의 식각은 이방성 건식 식각, 예컨대 플라즈마 식각이나 반응성 이온 식각에 의해 이루어질 수 있다. 그러면, epi-폴리실리콘층(125)의 상면에 형성된 제3 절연층(126)은 제거되고, epi-폴리실리콘층(125)의 바깥쪽 측면에는 상기 콘택홀(C)이 형성되며, 이 콘택홀(C)을 통해 히터층(122)의 일측 단부가 노출된다.

도 14는 상기 콘택홀(C)을 통해 히터층(122)에 접속되는 배선층(127)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 배선층(127)은 도 13의 결과물 전 표면에 전기 전도성이 우수한 금속, 예컨대 알루미늄이나 알루미늄 합금을 스퍼터링이나 화학기상증착법에 의해 대략 1㎛ 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 이때, 상기 배선층(127)은 상기한 반도체 소자와의 접속이 이루어지게 된다.

도 15는 상기 배선층(127)을 패터닝한 후, 제4 절연층(128)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 배선층(127)을 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 식각함으로써 상기 히터층(122)에 접속된 부위만 잔존시킨다. 이어서, 상기 결과물의 전 표면에 산화막이나 질화막을 증착시켜 제4 절연층(128)을 형성한다.

이어서, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 epi-폴리실리콘층(125) 사이 및 바깥쪽의 공간에 포토레지스트(PR₁)를 epi-폴리실리콘층(125)의 상면에 형성된 제4 절연층(128)의 높이까지 채운다. 그 다음에, 상기 포토레지스트(PR₁)와 제4 절연층(128) 위에 다시 포토레지스트(PR₂)를 소정 두께로 도포한다.

다음으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 상부 포토레지스트(PR₂)를 패터닝하여 epi-폴리실리콘층(125)의 상면에 형성된 제4 절연층(128)을 부분적으로 노출시킨다. 이 때, 제4 절연층(128)의 노출되는 부위는 노즐(도 2의 106)의 둘레와, 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)에 해당하는 부위이다.

이어서, 도 18에 도시된 바와 같이, 패터닝된 상부 포토레지스트(PR₂)를 식각 마스크로 하여 노출된 제4 절연층(128)과, 그 아래의 epi-폴리실리콘층(125) 및 제3 절연층(126)을 소정 깊이로 식각하여 트랜치(129)를 형성한다. 이 때, 상기 트랜치(129)를 아래쪽으로 갈수록 폭이 좁아지도록 경사지게 형성할 수 있다. 이와같은 형상의 트랜치(129)가 형성된 경우에는, 도 21의 단계에서 형성되는 노즐(106)이 출구쪽으로 가면서 점차 단면적이 작아지는 테이퍼 형상을 가지게 된다.

다음으로, 도 19에 도시된 바와 같이, 상부 포토레지스트(PR₂)와 하부 포토레지스트(PR₁)를 애슁(ashing) 및 스트립(strip)하여 제거한다.

도 20은 감광성 폴리머층(130)으로 유로 플레이트를 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 감광성 폴리머, 예컨대 폴리이미드(polyimide)를 도 19의 결과물 표면에 epi-폴리실리콘층(125)의 상면에 형성된 제4 절연층(128)의 높이까지 채운다. 이어서, 폴리이미드를 노광시켜 경화시킴과 동시에 노즐(106)에 대응되는 부위에 제4 절연층(128)을 노출시킨다. 이와 같이 형성된 감광성 폴리머층(130)은 노즐(106), 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)을 둘러싸서 한정하는 유로 플레이트의 역할을 하게 된다.

다음으로, 도 21에 도시된 바와 같이, 감광성 폴리머층(130)의 상면에 노출된 제4 절연층(128)을 식각하여 제거하면, epi-폴리실리콘층(125)이 노출된다. 이어서, 노출된 epi-폴리실리콘층(125)을 식각하여 제거하면, 감광성 폴리머층(130)에 의해 둘러싸인 노즐(106), 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)이 형성된다. 이 때, epi-폴리실리콘층(125)의 식각은 식각가스로서 XeF₂를 가스를 사용하는 등방성 건식 식각에 의해 이루어질 수 있다. 이와 같은 등방성 식각의 특성에 의해 리스트릭터(104)와 잉크채널(103) 아래의 실리콘 기판(110)도 소정 깊이로식각되고, 또한 제1 절연층(121) 아래의 기판(110)도 식각될 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 기판(110)의 상면쪽에 잉크챔버(105)의 아래쪽까지 확장된 공간(112)이 형성된다.

도 22는 기판(110)에 상기 잉크채널(103)과 연결되는 매니폴드(102)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 구체적으로, 상기 매니폴드(102)는 기판(110)의 배면에 식각될 부위를 한정하는 식각 마스크를 형성한 후, 이 식각 마스크에 의하여 노출된 기판(110)을 관통되도록 식각함으로써 형성될 수 있다. 그러면, 매니폴드(102)는 잉크채널(103)에 연결되고, 또한 매니폴드(102)의 상단부 양측에 잉크챔버(105)의 아래쪽으로 확장된 상기 공간(112)의 일부가 잔존하게 된다.

상기한 단계들을 거치게 되면, 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.

도 23과 도 24는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 제조방법의 제2 실시예를 단계적으로 설명하기 위한 단면도들이다. 제2 실시예에 따른 제조방법은 전술한 제1 실시예의 도 4 내지 도 15에 도시된 단계까지는 동일하므로, 그 이후의 단계에 대해서만 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 15의 단계까지 공정을 수행한 후, 도 23에 도시된 바와 같이 도 15의 결과물 전 표면에 감광성 폴리머, 예컨대 폴리이미드를 도포하여 감광성 폴리머층(130)을 형성한다. 이 때, 감광성 폴리머층(130)은 epi-폴리실리콘층(125)보다 충분히 높게 형성한다. 즉, epi-폴리실리콘층(125) 위에도 충분한 두께의 감광성 폴리머층(130)이 형성되도록 한다. 이어서, 감광성 폴리머층(130)을 선택적으로 노광시켜 경화시키면서, 잉크챔버(105)가 형성될 부위의 epi-폴리실리콘층(125)의 위쪽에 노즐(106)을 형성한다. 상기 노즐(106)의 형성은 포토리소그라피(photolithography) 공정에 의해 수행될 수 있다.

다음으로, 노즐(106)을 통해 노출된 제4 절연층(128)을 식각하여 제거하면, epi-폴리실리콘층(125)이 노출된다. 이어서, 노출된 epi-폴리실리콘층(125)을 식각하여 제거하면, 도 24에 도시된 바와 같이 감광성 폴리머층(130)에 의해 둘러싸인 노즐(106), 잉크챔버(105), 리스트릭터(104) 및 잉크채널(103)이 형성된다. 이 때, epi-폴리실리콘층(125)의 식각은 전술한 제1 실시예에서와 같이 식각가스로서 XeF₂를 가스를 사용하는 등방성 건식 식각에 의해 이루어질 수 있으며, 이에 따라 기판(110)의 상면쪽에 잉크챔버(105)의 아래쪽까지 확장된 공간(112)이 형성됨도 제1 실시예와 같다.

그 다음에는 전술한 제1 실시예의 도 22에 도시된 바와 같이 상기 기판(110)에 매니폴드(102)를 형성하게 되면, 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다. 또한, 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법과 식각방법이 적용될 수 있다. 아울러, 본 발명의 프린트헤드제조방법의 각 단계의 순서는 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 실리콘 기판과 감광성 폴리머로 이루어진 유로 플레이트가 일체화되어 형성되므로, 단일 웨이퍼 상에서 일련의 반도체 공정으로 잉크젯 프린트헤드를 구현할 수 있어서 잉크챔버와 노즐이 오정렬되는 종래의 문제점이 해소될 뿐만 아니라 제조 공정이 단순화되고 대량 생산이 가능하게 된다.

Claims (19)

1. 잉크 공급을 위한 매니폴드가 형성된 실리콘 기판;

   상기 실리콘 기판상에 일체로 형성된 감광성 폴리머층으로 이루어지며, 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버와, 상기 잉크챔버의 상부에 배치되어 상기 잉크챔버로부터 잉크의 토출이 이루어지는 노즐과, 상기 매니폴드 위에 형성되는 잉크채널과, 상기 잉크챔버와 상기 잉크채널을 연결하는 리스트릭터를 한정하는 유로 플레이트;

   상기 잉크챔버의 바닥에 배치되어 상기 잉크챔버 내부의 잉크를 가열하는 히터; 및

   상기 히터에 전기적으로 연결되어 상기 히터에 전류를 인가하는 배선;을 구비하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 감광성 폴리머는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 배선은 상기 잉크챔버의 측면 하단부에서 상기 히터의 단부에 접속되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 기판의 상면쪽에는 상기 매니폴드의 양측면에서 상기 잉크챔버의 아래쪽으로 확장된 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 히터는 그 하부와 상부에 형성된 절연층들에 의해 상기 기판 및 상기 잉크챔버 내의 잉크와 절연되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 배선은 그 주위에 형성된 절연층들에 의해 상기 기판, 유로 플레이트 및 상기 잉크챔버 내의 잉크와 절연되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 리스트릭터는 상기 잉크챔버의 폭보다 좁은 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
8. (가) 실리콘 기판 상에 히터층을 형성한 후, 상기 히터층을 패터닝하여 잉크챔버가 형성될 부위에만 잔존시키는 단계;

   (나) 상기 기판 상에 폴리실리콘층을 형성한 후, 상기 폴리실리콘층을 잉크챔버, 리스트릭터 및 잉크채널의 평면 형상으로 패터닝하는 단계;

   (다) 상기 폴리실리콘층을 에피텍시 공정에 의해 성장시켜 epi-폴리실리콘층을 형성하는 단계;

   (라) 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 상기 히터층의 단부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계;

   (마) 잉크챔버가 형성될 부위의 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 상기 콘택홀을 통해 상기 히터층의 노출된 단부에 연결되는 배선층을 형성하는 단계;

   (바) 상기 기판 상에 상기 epi-폴리실리콘층을 둘러싸는 감광성 폴리머층으로 이루어진 유로 플레이트를 형성하는 단계;

   (사) 상기 감광성 폴리머층에 노즐을 형성하는 단계;

   (아) 상기 노즐을 통해 상기 epi-폴리실리콘층을 식각하여 잉크챔버, 리스트릭터 및 잉크채널을 형성하는 단계;

   (자) 상기 기판의 배면을 식각하여 상기 잉크채널에 연결되는 매니폴드를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 (가) 단계에서, 상기 기판의 상면에 제1 절연층을 형성하고, 상기 제1 절연층 위에 상기 히터층을 형성하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 (나) 단계 전에, 상기 히터층과 상기 제1 절연층 위에 제2 절연층을 형성한 후, 리스트릭터와 잉크채널이 형성될 부위의 상기 기판이 노출되도록 상기 제2 절연층과 제1 절연층을 부분적으로 식각하여 제거하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 (라) 단계 전에, 상기 epi-폴리실리콘층의 측면에 제3 절연층을 형성하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 (마) 단계에서, 상기 배선층을 형성한 후, 그 외측면에 제4 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 (바) 단계에서, 상기 감광성 폴리머는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
14. 제 8항에 있어서,

    상기 (바) 단계에서, 상기 감광성 폴리머층은 상기 epi-폴리실리콘층의 상면을 소정 두께로 덮을 수 있도록 형성되며,

    상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 상기 epi-폴리실리콘층의 상면에 형성된 상기 감광성 폴리머층을 수직으로 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
15. 제 8항에 있어서,

    상기 (바) 단계에서, 상기 epi-폴리실리콘층을 식각하여 상기 노즐이 형성될 부위의 둘레에 소정 깊이의 트랜치를 형성한 후, 상기 감광성 폴리머층을 상기 트랜치 내부를 채우면서 상기 epi-폴리실리콘층의 높이까지 형성하고,

    상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 상기 트랜치에 의해 둘러싸인 상기 epi-폴리실리콘층을 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 (사) 단계는 상기 (아) 단계와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
17. 제 8항에 있어서,

    상기 (사) 단계에서, 상기 노즐은 출구쪽으로 가면서 점차 단면적이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
18. 제 8항에 있어서,

    상기 (아) 단계에서, 상기 epi-폴리실리콘층은 등방성 건식 식각에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 (아) 단계에서, 상기 등방성 건식 식각에 의해 상기 기판의 상면쪽에 상기 잉크챔버의 아래쪽으로 확장된 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱잉크젯 프린트헤드의 제조방법.