KR20050055703A - 반도체 제조 공정에 의해 제조된 정전형 액츄에이터 - Google Patents

반도체 제조 공정에 의해 제조된 정전형 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

정전형 액츄에이터는 신뢰성이 높고 특성의 변화가 거의 없다. 전극(12a)은 기판(1) 위에 형성되고, 복수의 구획부(50a)는 그 전극 위에 형성된다. 진동판(19)은 구획부(50a) 위에 형성되고, 에어갭(14a)이 전극(12a)과 진동판(19) 사이에 형성된 희생층(14)의 부분을 에칭함으로써 구획부(50a)들 사이에 형성되도록 전극(12a)에 인가된 전압에 의해서 발생된 정전 인력에 의해서 변형될 수 있다. 구획부(50a)는 에칭 후에 희생층(14)의 잔류 부분으로 형성된다.

Description

반도체 제조 공정에 의해 제조된 정전형 액츄에이터{ELECTROSTATIC ACTUATOR FORMED BY A SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROCESS}
본 발명은 정전형 액츄에이터에 관한 것으로서, 특히 잉크젯 기록 장치의 잉크젯 헤드와 같은 액체 분사(토출) 기구로 사용되는 정전형 액츄에이터에 관한 것이다.
잉크젯 기록 장치는 프린터, 팩시밀리, 복사기 등과 같은 이미지 형성 장치 또는 이미지 기록 장치로서 이용된다. 잉크젯 기록 장치에는 액적 분사(토출) 헤드로서 잉크젯 헤드가 장착되어 있다. 일반적으로, 이러한 잉크젯 헤드는 잉크 액적을 분사하기 위한 단일 또는 복수의 노즐과; 노즐과 연통하는 분사실과; 분사실의 잉크에 압력을 가하기 위해 압력을 발생하는 압력 발생 수단을 포함하고 있다. 분사실은 압력 인가실, 잉크실, 액체실, 압력 인가 액체실, 입력실 혹은 잉크 통로라고도 불린다. 잉크의 액적은 압력 발생 수단에 의해서 발생된 압력을 이용하여 분사실의 잉크에 압력을 가함으로서 노즐로부터 분사된다.
일반적으로, 압전형, 열형 및 정전형은 액적 분사 헤드로서 잉크젯 헤드에 사용된다. 압전형 잉크젯 헤드는 압력 발생 수단으로서 압전 소자와 같은 전기 기계 변환 소자를 이용하여 분사실의 벽을 형성하는 진동판(다이어프램)을 변형시켜 잉크의 액적을 분사한다. 열 잉크젯 헤드는 분사실에 설치된 발열 저항과 같은 전기열 변환 소자를 이용한 막 비등(film boiling)에 의해 잉크의 액적을 분사한다. 정전형 잉크젯 헤드는 정전기력에 의해 분사실의 벽을 형성하는 진동판을 변형시켜 잉크의 액적을 분사한다.
근년에 납 수납 부품을 사용하지 않는 열형(thermal type)과 정전형이 환경 문제의 관점에서 주의를 끌고 있다. 특히 몇 개의 정전형 잉크젯 헤드는 작은 소비 전력과 무연(lead-free) 특징의 관점에서 제안되었다.
일본 특허 공개 제6-71882호는 한 쌍의 전극 사이에 형성된 에어갭이 있는 한 쌍의 전극을 갖춘 정전형 잉크젯 헤드를 개시하고 있다. 두 전극 중 하나는 진동판으로서 기능하며 잉크로 채워질 잉크실은 진동판과 면하는 전극과 대향하는 진동판의 한 면에 형성된다. 전극 양단에 전압을 인가함으로써 한 쌍의 전극 사이에서(진동판과 전극 사이에서) 정전 인력이 발생됨으로써 전극(진동판)의 변형을 가져온다. 진동판은 전압이 제거된 경우 정전력으로 인해 원래의 위치로 되돌아 오며, 잉크의 액적은 진동판의 회복력으로 인해 분사된다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-18383호 및 국제 특허 공개 제WO 99/34979호는 소형 에어갭이 희생층을 에칭함으로써 진동판과 전극 사이에 형성되며 액체실 기판은 그 위에 결합되는 잉크젯의 구조를 개시하고 있다.
또한, 일본 특허 공개 제11-314363호는 잉크가 흐르는 갭을 갖는 캔틸레버 빔 또는 스트래들 마운티드 빔의 진동판을 형성하고, 에어갭에 고유전율의 잉크를 채움으로써 저전압에서 구동 가능한 잉크젯 헤드를 개시하고 있다.
또한, 일본 특허 공개 제9-193375호는 서로 평행하게 놓여있지 않은 진동판과 전극을 갖는 잉크젯 헤드를 개시하고 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-277505호는 비평형 전계를 발생하기 위해 전극 상에 형성된 유전 절연층의 두께를 가변하여 저전압 구동시키는 잉크젯 헤드를 개시하고 있다.
진동판과 이 진동판과 면하는 전극이 장착된 정전형 액츄에이터를 포함하는 정전형 잉크젯 헤드에 있어서, 저전압 구동을 달성하기 위해 전극 사이의 에어갭을 아주 작게 만들 필요가 있다.
그러나, 상기 일본 특허 공개 제6-71882호에 개시된 헤드에 있어서, 애노드 접속에 의해 진동판 기판을 에칭하여 본딩함으로써 공동(cavity)을 만들어 에어갭을 형성하므로, 진동이 없는 소형 에어갭을 정확하게 제조하기란 매우 어려워 수율이 떨어지는 문제를 야기한다.
따라서, 상기 일본 특허 공개 제2001-18383호에 개시된 헤드에 있어서, 비록 에어갭이 희생층을 에칭하여 갭형성 방법에 따라서 매우 정확하게 형성될지라도, 희생층을 에칭하기 위한 에칭 구멍이 진동판에 형성되기 때문에 진동판의 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 희생층을 에칭한 후 절연층에 의해서 에칭 구멍을 밀봉하는 방법이 사용되므로, 에칭 구멍을 밀봉하는 절연층이 두꺼워야만 한다. 따라서 진동판의 강도가 증가하고 구동 전압이 증가하는 문제점이 있어 진동판의 강도 변화를 초래한다. 또한 에어갭의 형성으로 인해 액츄에이터 기판 표면이 불균일하고 액체실 기판 결합 시 매우 정확한 정렬이 요구된다. 더욱이 결합 영역이 작으므로, 결합 시의 접촉부 등으로 인해 파손과 같은 작업 부주의를 야기할 수가 있고, 신뢰도가 떨어져 수율이 저하되는 문제점 또한 있다.
또한, 상기 일본 특허 공개 제11-314363호에 개시된 헤드에 있어서, 비록 에어갭이 희생층을 에칭함으로써 형성되어 있을지라도, 진동판은 캔틸레버 빔 또는 스트래들 장착빔의 구조를 가지며 에어갭은 액체실과 연통하고 있다. 이 경우, 희생층을 에칭하기 위한 에칭 구멍을 형성할 필요가 없고 잉크가 에어갭으로 흘러들어가는 것이 가능하므로, 실효 에어갭을 축소하는 고유전율의 잉크를 사용하여 저전압 구동을 달성하는 것이 가능하다. 그러나, 에어갭의 잉크에는 전압이 인가되므로 잉크 성분이 응축되는 문제점이 일어나며 에어갭에서의 잉크의 콘덕턴스로 인해 고속 구동의 수행이 불가능한 문제점이 있다.
더욱이, 상기 일본 특허 공개 공보 제9-193375호와 일본 특허 공개 공보 제2001-277505호는 비평행 에어갭을 형성하는 어떠한 방법도 개시하고 있지 않거나 혹은 유전 절연층의 두께를 가변하기 위한 어떤 특정 방법을 개시하고 있지 않으며, 변동없는 소형 에어갭을 형성하기가 매우 어려운 문제점이 해결되지 않는다.
정전형 잉크젯 헤드에 있어서, 진동판과 전극간 거리의 규격 정확성은 정전형 잉크젯 헤드의 성능에 크게 영향을 미친다. 특히 잉크젯 헤드의 경우, 각 액츄에이터의 특성 변동이 크다면, 이미지 품질의 프린팅 및 재생성의 정확도가 현저하게 떨어진다. 더욱이 저전압 동작을 달성하기 위해 높은 규격 정확성을 요하는 에어갭의 크기는 0.2㎛ 내지 2.0㎛가 되어야 한다.
일본 특허 공개 공보 제2001-18383호 및 국제 특허 공개 제WO 99/34979호는 희생층 공정을 적용함으로써(희생층을 에칭함으로써) 진동판과 전극 사이에 소형 에어갭을 형성하고 그 위에 유로 기판을 결합하여 구성된 헤드를 개시하고 있다. 이 방법에 의하면, 에어갭의 크기는 희생층을 형성하기 위한 공정 변화에 의해서 결정되며, 그에 따라 크기의 변화가 억제되어 고정확성과 고신뢰성을 갖는 헤드 또는 액츄에이터를 취득할 수가 있다.
더욱이, 에어갭이 상기 희생층 공정을 이용하여 형성된 경우, 희생층을 제거하기 위한 관통 구멍(희생층 제거 구멍)을 밀봉하는 것이 필요하다. 따라서 국제 특허 공개 WO 99/34979호는 희생층이 제거된 후 PVD 혹은 CVD 방법에 의해 형성된 Ni 막 또는 SiO2막에 의해서 닫혀진 희생층 제거 구멍을 개시하고 있다. 그러나, 희생층 제거 구멍이 성막법에 의해서 밀봉되는 경우, 그 막의 성분들이 에어갭에 들어갈 수가 있다. 또한, 희생층 제거 구멍은 또한 분할벽의 세기를 유지하는 기능을 하며, 소형으로 만들 수가 없다. 그러므로, PVD 또는 CVD 방법을 이용한 성막법에 의해 밀봉된 희생층 제어 구멍은 액츄에이터의 동작 특성 및 신뢰도에 영향을 줄 수가 있고 고밀화(치밀화)를 다룰 수가 없다.
또한, 일본 특허 공개 공보 제2001-18383호에 개시된 헤드에 있어서, 유로 기판을 결합하는데 고정확도를 요하는 진동판과 구획부의 스텝이 형성된다. 더욱이 진동판이 희생층이 제거된 다음에 주위 부품에서 플로팅되므로, 진동판은 후속 공정에서 손상을 입을 수가 있고 충분한 수율로 액츄에이터를 제조하기가 어렵다.
또한 비록 희생층 제거 구멍이 진공 장치를 이용하여 성막법에 의해 형성된 막에 의해서 밀봉될지라도, 진공 장치의 이용은 문제를 야기할 수가 있다. 성막이 진공 장치에 의해서 수행되는 경우, 성막 공정은 진공 환경에서 수행되며 진동판과 전극 사이의 에어갭은 진공 상태로 밀봉된다. 그러므로, 액츄에이터가 대기에 노출되는 경우 진동판이 에어갭 내의 부압(a negative pressure)으로 인해 휘어질 수가 있다. 또한 진동판의 휘어짐의 변화가 있는 경우, 진동판의 변위의 변화가 발생할 수가 있다. 또한, 진공 밀봉이 에어갭에서 밀봉된 기체의 댐핑 효과를 제공할 수가 없기 때문에, 진동판의 두께 변화에 대한 진동 진폭의 변화는 크게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 비용의 증대와 수율의 저하를 야기하는 에어갭을 대기에 개방하는 공정 또는 구조를 제공하는 것이 필요하다. 그러므로, 종래의 희생층 공정을 이용하는 경우, 저렴하며 정확도가 높고 신뢰도가 높은 정전형 액츄에이터를 구하는 것은 어렵다.
한편, 잉크젯 기록 장치에 있어서, 고속으로 컬러 이미지의 고해상 기록을 달성하기 위해서 마이크로 머시닝 기술이 이용되어 고품질의 이미지를 취득한다. 따라서, 헤드를 구성하는 부품의 재료들이 금속 또는 플라스틱에서 실리콘, 유리 또는 세라믹으로 옮겨지고 있다. 특히 실리콘이 마이크로 머시닝에 적합한 재료로서 사용되고 있다.
또한, 컬러화와 관련하여 잉크 및 매체의 발달이 주류이며 흡수성, 컬러 특성 및 컬러 혼합 보호 특성을 최적화하거나 잉크 매체의 장기간 저장 및 잉크 자체의 저장 안정성을 향상하기 위해 잉크의 성분 및 조성에 대한 발달이 진행되어 왔다.
이 경우, 헤드 구성요소들의 재료 및 잉크의 조성에 따라서 구성요소들이 잉크에 용해될 수가 있다. 특히 유로 형성 부재가 실리콘으로 제조되는 경우, 실리콘은 잉크에서 용출되어 잉크의 컬러 악화 또는 노즐 막힘으로 인해 이미지 품질의 악화를 야기하는 노즐부에 퇴적된다. 더욱이 실리콘 박막으로 제조된 진동판을 사용한 헤드에 있어서, 진동판을 형성하는 실리콘이 잉크에 용출되는 경우, 진동 특성이 변화되거나 진동판이 진동할 수가 없다.
구성요소들의 재료가 상기 문제점을 해결할 수 없다면, 고밀도 처리를 실현하기가 어렵거나 혹은 대부분의 경우 처리 정확성이 떨어질 수 있다. 더욱이 재료의 변화는 노즐 밀도의 감소를 가져와 인쇄 품질의 악화를 야기하는 제조 공정 또는 조립 공정의 큰 변화를 요한다.
한편, 잉크 성분 조정에 의해 문제를 해결한다면, 기록 매체에 대한 투과성 및 컬러 특성이 인쇄 품질을 향상하도록 최적화 되고 저장 안정성이 향상되도록 잉크 성분 및 조성이 본질적으로 조절되기 때문에 고품질의 이미지가 악화될 수가 있다.
따라서, 통상의 잉크젯 헤드에 있어서, 잉크에 대한 저항력을 갖는 박막이 잉크와 접촉하게 되는 유로 형성 부재의 표면에 형성된다. 예를 들면, 잉크와 접촉하는 표면 상의 형성 티타늄, 티타늄 화합물, 혹은 알루미늄 산화물이 국제 특허 공개 제WO 98/42523호에 개시되어 있다. 잉크와 접촉하는 표면에 산화물막을 형성하는 기술은 일본 특허 공개 제5-229118호에 개시되어 있다. 실리콘 산화물의 표면에서 잉크에 대한 저항력을 갖는 산화물, 질화물 또는 금속과 같은 박막을 형성하기 위한 기술이 일본 특허 공개 제10-291322호에 개시되어 있다. 압전 재료로 제조된 잉크실의 표면에 유기 수지막을 제조하기 위한 기술이 일본 특허 공개 제2000-246859호에 개시되어 있다.
상기 헤드에 있어서, 파라자일렌(paraxylene)과 같은 유기 수지막이 복잡한 3차원 구조 및 진동판을 갖는 잉크실의 측벽에서 내부식성 막으로서 형성될 수가 있다. 파라자일렌과 같은 유기 수지막이 기상 증착법으로 형성되기 때문에, 막의 피막 특성은 그의 퇴적 성질로 인해 양호하지 못하며 액체실의 내부 또는 진동판 위에 막 두께 분포에 있어 큰 불균일이 발생한다.
막 두께가 얇은 영역이 장기간 잉크와 접촉하는 경우, 내부식성 막이 용해되어 결국에는 기판 재료가 부식되게 되므로 장기간 신뢰도에 있어 문제가 발생한다. 더욱이 잉크젯 특성에 큰 변화를 가져오는 진동판 위의 유기 수지막의 막 두께의 진동에 의해 야기된 내부 응력의 분포로 인해 큰 휨이 발생된다.
또한, 금속성의 내부식성 잉크막이 스퍼터링 방법 또는 기상 증착법에 의해 진동판 위에 형성된 헤드에 있어서, 내부식성 막의 커버 특성은 상기 유기 수지막과 유사하게 양호하지 못하다. 위치에 따라 내부식성막이 아주 얇은 두께로 형성되는 영역과 잉크가 장기간 이 영역과 접촉하는 경우 내부식성 막이 용해되어 궁극적으로는 기판 재료가 부식하게 된다. 따라서 장기간 신뢰도를 확보할 수가 없고 잉크의 주입 특성의 변화를 야기하는 금속성의 내부식성 잉크막의 두께 변화로 인해 진동판에서 큰 휨이 발생된다.
특히, 휨 진동판과 설계값과 다른 구동 전압으로 인해 진동판과 전극 사이의 간격이 변화하기 때문에 압전형 헤드 보다는 정전형 헤드에서 상기 문제가 심각하다.
또한, 상기 내부식성 막이 형성된 헤드에 있어서, 진동판과 전극 사이의 에어갭이 밀봉되지 않아 습도와 같은 외부 환경의 영향으로 인해 진동판이 전극과 접촉하는 경우 동작의 신뢰성이 떨어진다.
또한 진동판과 전극 사이의 에어갭이 외부 환경으로부터의 영향을 받지 않도록 하기 위해 밀봉되는 헤드에 있어서, 내부식성 막이 진동판 위에 형성되지 않기 때문에 사용 가능한 잉크의 pH 값의 제한이 있고 그에 따라 잉크와의 정합이 유지되어야 하므로 비용이 비싸진다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 평면도이다.
도1b 및 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 절연층에 의해서 채워지는 분리 홈부의 적절한 폭을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다.
도 4는 각 전극에 인가된 전위의 설정을 설명하기 위한 액츄에이터의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 더미 전극이 공급될 때 각 전극에 인가된 전위의 설정을 설명하기 위한 액츄에이터의 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 평면 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 선 X1-X1'에서 본 단면도이다.
도 6c는 도 6a의 선 X2-X2'에서 본 단면도이다.
도 6d는 도 6a의 선 Y1-Y1'에서 본 단면도이다.
도 6e는 도 6a의 선 Y2-Y2'에서 본 단면도이다.
도7a, 도 7b 및 도 7c는 희생층 제거 구멍의 배치예의 평면도이다.
도 8은 에칭에 의해서 희생층을 제거할 때 희생층 제거 구멍에서 반응 표면에 이르는 거리 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 희생층 제거 구멍 사이의 거리와 희생층의 에칭된 영역 사이의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 10a 내지 도 10d는 희생층 제거 구멍을 설명하기 위한 도면이다.
도11a 및 도 11b는 수지막에 의한 희생층 제거 구멍의 밀봉을 설명하기 위한 액츄에이터의 단면도이다.
도 12a 내지 도 12g는 진동판의 짧은 면에 평행한 선에서 본 단면도이다.
도 13a 내지 도 13d는 휘어짐 방지막의 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다.
도 17a 내지 도 17g는 도 16에 도시한 정전형 액츄에이터의 제조 공정을 설명하기 위해 진동판의 짧은 면과 평행한 선에서 본 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제7 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 단면도이다.
도 19는 도 18에 도시한 잉크젯 헤드의 평면 사시도이다.
도20a 내지 도 20e는 도 18에 도시한 잉크젯 헤드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 21은 노즐 형성 부재가 들어올려지고 액츄에이터 형성 부재의 일부분이 절단된 상태의 본 발명의 제8 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 사시도이다.
도 22는 진동판의 짧은 면에 평행한 선에서 본 잉크젯 헤드의 단면도이다.
도 23a는 잉크젯 헤드의 평면 사시도이다.
도 23b는 진동판의 짧은 면에 평행한 선에서 본 잉크젯 헤드의 단면도이다.
도 23c는 진동판의 긴 면에 평행한 선에서 본 잉크젯 헤드의 단면도이다.
도 24a 내지 도 24f는 도 21에 도시한 잉크젯 헤드의 제조 공정을 설명하기 위해 진동판의 짧은 면에 평행한 선에서 본 단면도이다.
도 25는 본 발명에 따른 액적 분사 헤드의 잉크 카트리지 일체형 헤드의 사시도이다.
도 26은 본 발명에 따른 잉크젯 기록 장치의 사시도이다.
도 27은 도 26에 도시한 잉크젯 기록 장치의 기계 부분의 측면도이다.
도 28은 본 발명에 따른 마이크로 펌프 일부분의 단면도이다.
도 29는 본 발명에 따른 광학 장치의 단면도이다.
도 30은 본 발명에 따른 광학 장치의 사시도이다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점들을 제거한 개선된 유용한 정전형 액츄에이터 및 정전형 액츄에이터를 이용한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 진동이 없고 높은 신뢰성을 갖는 액츄에이터와 상기 정전형 액츄에이터를 이용한 다양한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 저전압에서 구동 가능한 정전형 액츄에이터와 이 정전형 액츄에이터를 이용한 다양한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정전형 액츄에이터와 구성요소의 부식을 보호하고 구성요소를 외부 환경의 영향으로부터 보호하여 충분한 장기간의 신뢰성과 안정적인 액체 분사 특성을 제공할 수 있는 정전형 액츄에이터를 이용한 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 정전형 액츄에이터가 제공되며, 이 정전형 액츄에이터는 기판; 기판에 형성된 전극; 전극 위에 형성된 복수의 구획부; 구획부 위에 형성되며 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭하여 복수의 구획부 사이에 형성한 에어갭을 포함한다.
상기한 본 발명에 의하면, 진동판과 전극 사이에 개재된 에어갭이 희생층을 에칭함으로써 형성되므로, 진동판과 전극 사이의 간격이 희생층의 두께로 정확하게 설정 가능하다. 또한 진동판과 전극 사이의 에어갭을 정의하는 구획부는 에칭에 의해 에어갭을 형성한 후 희생층의 잔류 부분에 의해서 형성되며, 진동판의 윗면이 평탄해질 수가 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 반도체 제조 공정에 의해서 형성됨으로써 특성의 변동이 없는 안정한 성능이 된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서 기판은 실리콘 기판인 것이 좋다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 구획부에 대응하는 위치에서 더미 전극을 더 포함할 수 있으며, 더미 전극은 분리 홈부에 의해 전극과 전기적으로 분리된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 희생층은 폴리실리콘, 비결정 실리콘, 실리콘 산화물, 알루미늄, 티타늄 질화물, 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료로 제조되는 것이 좋다. 또한 전극은 폴리실리콘, 알루미늄, 티타늄, 티타늄 질화물, 티타늄 규화물, 텅스텐, 텅스텐 규화물, 몰리브데늄, 몰리브데늄 규화물 및 ITO로 이루어진 그룹에서 선택된 재료로 제조되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 절연층은 전극 위에 형성 가능하며, 분리 홈부는 절연층으로 채워진다. 절연층의 두께는 분리 홈부 각각의 폭의 절반보다 크거나 같은 것이 좋다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 희생층은 분리 홈부에 의해서 분할되며, 분리 홈부가 절연층으로 채워지도록 희생층 위에 절연층이 형성될 수 있다. 절연층의 두께는 분리 홈부 각각의 폭과 같거나 절반인 것이 좋다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 희생층은 전도성 재료로 제조되는 것이 좋으며, 희생층의 잔류 부분은 잔류 부분이 기판, 전극, 진동판 중 하나와 동일 전위에 있도록 기판, 전극, 진동판 중 하나에 전기적으로 연결된다. 또한 희생층은 전도성 재료로 제조되는 것이 좋으며, 희생층의 잔류 부분들과 더미 전극들 중 적어도 하나는 전기 배선부로서 기능할 수가 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 전극과 면하는 진동판의 표면과 전극 상의 절연층을 더 포함하며, 희생층은 폴리실리콘 및 비결정 실리콘 중 하나로 제조되고, 절연층은 실리콘 산화물로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 희생층은 실리콘 산화물로 제조되며 전극은 폴리실리콘으로 제조 가능하다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 관통 구멍은 진동판에 형성되는데 이는 에어갭을 형성하도록 관통 구멍을 통해 희생층 부분을 에칭하여 제거함으로써 형성된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 관통 구멍은 구획부 부근에 위치할 수 있다. 진동판은 실질상 직사각형 형태일 수 있으며, 진동판의 짧은 면은 실질상 15㎛ 이하일 수 있다. 진동판과 면하는 전극면과 수직 방향으로 측정된 에어갭의 간격은 실질상 0.2㎛ 내지 2.0㎛일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 복수의 관통 구멍은 진동판의 짧은 면의 길이 이하의 간격으로 진동판의 긴 면을 따라 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 에어갭을 형성하기 위해 관통 구멍을 통해 희생층부를 제거하는 진동판에 형성된 관통 구멍; 전극에 면하는 표면에 대향하는 표면에 형성된 수지막을 더 포함할 수 있으며, 관통 구멍은 수지막의 결합면에 의해서 밀봉된다. 관통 구멍 각각의 단면적은 실질상 0.19㎛2 이상 10㎛2이하일 수 있다. 관통 구멍의 개구 외주의 절연층의 두께는 실질상 0.1㎛ 이상일 수 있다. 전극과 진동판 사이의 에어갭은 실질상 0.1㎛ 이상일 수 있다. 수지막은 진동판과 접촉하게 되는 물질에 대해서 내부식성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 진동판의 윗면과 결합된 부재를 더 포함하며, 관통 구멍은 상기 부재의 결합면에 의해서 밀봉된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 전극에 면하는 진동판의 표면 위에 형성된 절연층을 더 포함하며, 서로 인접하는 구획부 사이의 중앙 부근의 절연층의 두께는 구획부 부근의 절연층의 두께 보다 크다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 전극 위에 형성된 절연층을 더 포함하며, 서로 인접하는 구획부 사이의 중앙 부근의 두께는 구획부 부근의 절연층의 두께 보다 크다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터에 있어서, 전극과 기판 사이에는 공동이 형성될 수 있으며, 전극은 공동을 에어갭에 연통하는 관통 구멍을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 전극의 양 면 위에 절연층을 더 포함할 수 있고, 전극과 절연층의 총 두께는 진동판의 두께를 초과한다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 따른 정전형 액츄에이터를 제조하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 기판 위에 전극을 형성하는 단계; 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 희생층 위에 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판을 형성하는 단계; 에어갭을 정의하는 구획부를 에칭에 의해서 형성한 후 희생층 일부를 제거하여 전극과 진동판 사이의 에어갭을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 진동판과 전극 사이의 에어갭이 희생층을 에칭함으로써 형성되므로, 진동층과 전극 사이의 간격은 희생층의 두께로 정확하게 설정 가능하다. 또한, 진동판과 전극 사이의 에어갭을 정의하는 구획부는 에칭에 의해 에어갭을 형성한 후 희생층의 잔류 부분에 의해서 형성되며, 진동판의 윗면은 평탄해질 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 특성의 변화없이 안정한 성능을 가져오는 반도체 제조 공정에 의해서 제조된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법에 있어서, 에어갭 형성 단계는 전극과 진동판을 형성한 후 희생층 부분을 에칭하는 것을 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터를 제조하기 위한 방법은 희생층을 형성하기 전에 전극 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 에어갭 형성 단계는 서로 인접하는 구획부 사이의 중앙 부근의 절연층의 두께가 구획부 부근의 절연층의 두께 보다 크도록 절연층을 에칭하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법은 희생층을 형성한 후 전극에 면하는 진동판의 표면 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 에어갭 형성 단계는 서로 인접하는 구획부 사이의 중앙 부근의 절연층의 두께가 구획부 부근의 절연층의 두께 보다 크도록 절연층을 에칭하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법은 전극 위에 절연층을 형성하는 단계와 전극에 면하는 진동판의 표면 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 희생층의 에칭이 설폰 헥사플루오라이드(SF6) 또는 제논 디플루오라이드(XeF2)를 이용하는 플라즈마 에칭법 및 테트라-메틸-암모늄-하이드로옥사이드(TMAH)를 이용하는 습식 에칭법 중 하나의 방법에 의해서 수행된다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법은 희생층 부분을 제거하기 위해 진동판에 관통 구멍을 형성하는 단계와; 관통 구멍을 밀봉하기 위해 진동판 위에 수지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법에 있어서, 진동판 형성 단계는 실질상 150㎛ 이하의 짧은 면을 갖는 직사각형 형태로 진동판을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 진동판 형성 단계는 진동판이 휘어지지 않도록 휨 방지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 수지막 형성 단계는 설폰 헥사플루오라이드(SF6) 또는 제논 디플루오라이드(XeF2)를 함유하는 플루오르 화합물 기체로 수지막이 형성되는 진동판의 표면을 노출시켜 진동판의 표면 조건을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 수지막 형성 단계는 수지막이 형성되는 진동판의 표면을 플라즈마에 노출시켜 진동판의 표면 조건을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 수지막 형성 단계는 진동판과 접촉하게 되는 액체에 대한 내부식성을 갖는 재료로 수지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 수지막은 회전 도포법에 의해 수지막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 제조 방법은 희생층 부분을 제거하기 위해 진동판에서 복수의 관통 구멍을 형성하는 단계와, 관통 구멍을 밀봉하기 위해 진동판의 표면에 밀봉 부재를 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 형태에 의하면 액적 분사 헤드는 액체의 액적을 분사하는 노즐; 노즐과 연결되어 액체를 저장하는 액체 압력실; 및 액체 압력실에 저장된 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 전극에 인가된 전압에 의해 생성된 정전력에 의해 변형 가능하며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며, 구획부는 에칭 후 희생층의 잔류 부분을 포함한다.
본 발명에 따른 액적 분사 헤드에 있어서, 복수의 관통 구멍이 에어갭을 형성하기 위해 관통 구멍을 통해 희생층 부분을 에칭함으로써 제거하기 위해 진동판에 형성될 수 있으며, 액체 압력실을 형성하는 유로 형성 부재는 진동판의 관통 구멍을 밀봉할 수 있다. 관통 구멍은 구획부 부근에 형성 가능하다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 의하면 액체 공급 카트리지는 액체의 액적을 분사하는 액적 분사 헤드와; 액적 분사 헤드에 액체를 공급하는 액적 분사 헤드와 일체로 형성된 액체 탱크를 포함하며, 액적 분사 헤드는 액체의 액적을 분사하는 노즐; 노즐과 연결되어 액체를 저장하는 액체 압력실; 및 액체 압력실에 저장된 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 기판 위에 형성된 전극; 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며, 구획부는 에칭 후의 희생층의 잔류 부분을 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 의한 잉크젯 기록 장치는 잉크의 액적을 분사하는 잉크젯 헤드와 잉크젯 헤드에 잉크를 공급하는 잉크젯 헤드와 일체로 형성된 잉크 탱크를 포함하며, 잉크젯 헤드는 잉크의 액적을 분사하는 노즐; 노즐과 연결되어 잉크를 저장하는 액체 압력실; 및 액체 압력실에 저장된 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 기판 위에 형성된 전극; 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며, 구획부는 에칭 후의 희생층의 잔류 부분을 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 따른 잉크젯 장치는 액체의 액적을 분사하는 액적 분사 헤드와 액적 분사 헤드에 액체를 공급하기 위해 액적 분사 장치와 일체로 형성된 액체 탱크를 포함하며, 액적 분사 헤드는 액체의 액적을 분사하는 노즐; 노즐과 연결되며 액체를 저장하는 액체 압력실; 및 액체 압력실에 저장된 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 기판 위에 형성된 전극; 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며, 구획부는 에칭 후의 희생층의 잔류 부분을 포함한다.
본 발명의 또 다른 형태에 따른 마이크로 펌프가 마련되며, 마이크로 펌프는 액체가 흐르는 유로와 액체가 유로에서 흐르도록 유로를 변형하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 기판 위에 형성된 복수의 구획부; 전극 위에 형성된 복수의 구획부; 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고, 구획부는 에칭 후의 희생층의 잔류 부분을 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 따른 광학 장치는 광 반사 미러와 미러를 변형하는 정전형 액츄에이터를 포함하며, 정전형 액츄에이터는 기판; 기판 위에 형성된 복수의 구획부; 전극 위에 형성된 복수의 구획부; 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부 위에 형성된 진동판; 및 전극과 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭함으로써 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고, 구획부는 에칭 후의 희생층의 잔류 부분을 포함하며, 미러는 미러가 진동판의 변형에 의해 변형되도록 진동판 위에 형성된다.
이후 본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점에 대해서 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
(제1 실시예)
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 2a, 도 2b, 도 2c를 참조하여 본 발명의 제1 실시예룰 설명한다. 도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 평면도이다. 도 1b 및 도 1c는 도 1a의 선 X1-X1'과 선 X2-X2'에서 본 단면도(2개의 평행 단면)를 도시한다.
도면에서, 1은 액츄에이터를 형성하는 기판이고, 11은 절연층이며, 12a는 전극(개별 전극이라고도 함)이고, 14는 희생층이며, 15는 절연층(진동판 실 절연층이라고도 함)이고, 16은 진동판 전극층이며, 17은 진동판의 응력 조절 기능을 하는 절연층이다. 또한 19는 절연층(15), 진동판 전극층(16), 절연층(17)으로 구성된 진동판이다. 또한 14a는 희생층의 일부분을 제거함으로써 형성된 에어갭이고, 60은 희생층 제거 구멍(관통 구멍)이며, 50a는 구획부이고, 14b는 구획부(50a)에서 유지되는 잔류 희생층이며, 10은 액츄에이터가 형성되는 액츄에이터 형성부이다.
제1 실시예의 액츄에이터 형성부(10)는 액츄에이터를 형성하는 기판(1); 전극(12a) 위에 형성된 구획부(50a); 전극(12a)에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형되며 구획부(50a) 위에 형성된 진동판(19); 인접 구획부(50a) 사이에 형성된 에어갭(14a)을 포함한다. 에어갭(14a)은 전극(12a)과 진동판(19)의 전극(16) 사이에 형성된 희생층(14) 부분을 에칭함으로써 형성된다. 에칭에 의해서 제거되지 않는 희생층(14)의 다른 부분은 구획부(50a)에서 유지됨에 주목하여야 한다.
액츄에이터 형성 부재(10)는 고 클리닝 상태를 갖는 기판 위에 절연층과 전극을 형성하기 위해 성막과 막처리(포토리소그래피 및 에칭)를 반복함으로써 형성된다. 기판(1)을 만들기 위해 실리콘을 사용하여 액츄에이터 형성 부재(10)를 형성하도록 고온 공정이 이용될 수 있다. 고온 처리는 열산화법 또는 열질화법, 고온 산화물막(HTO)을 형성하는 열 CVD법 또는 양질의 질화물막을 형성하는 LP-CVD 등의 고품질의 막을 형성하기 위한 공정에 관한 것이다. 고온 공정을 채용함으로써, 우수한 전도성 및 절연성을 갖는 액츄에이터 장치를 제공할 수 있는 고품질의 전극 재료 및 절연재가 사용 가능하게 된다. 더욱이 고온 처리는 막두께의 제어 가능성 및 재생성에 있어서 우수하며, 그에 따라 전기적 특성이 변동없는 액츄에이터 장치가 제공된다. 또한 제어가능성 및 재생성이 우수하므로, 공정 설계는 쉬어지며 저가의 대량 생산이 달성 가능하다.
도 1b 및 도 1c에서, 전극층(12)은 기판 위에 형성된 절연층(11) 위에 형성되며 분리 홈부(82)에 의해서 각각의 채널(각각의 구동 비트)로 분할된다. 도 1c의 점선의 원으로 표시한 부분 A1에 의해서 도시한 바와 같이, 분리 홈부(82)은 전극층(12) 위에 형성된 절연층(13)에 의해서 채워진다. 따라서 분리 홈부(82)으로 전극층(12)을 분할하고 절연층(13)에 의해 분리 홈부(82)을 채우기 위해 절연층(13)에 의해 전극층(12)을 커버함으로써, 후속 공정에서 단차 또는 비평탄 구조가 없는 평탄면을 형성하는 것이 가능하다. 그 결과 전기적 특성의 변동이 없고 규격에 있어 고정확성을 갖는 액츄에이터가 확보 가능하다.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 절연층에 의해서 채워지는 상기 분리 홈부의 적절한 폭을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2a는 도 1c의 부분 A1의 확대 단면도이다. 분리 홈부를 절연층으로 채우기 위한 중요한 요소는 적합한 절연층을 형성할 수 있는 성막법과 분리 홈부의 폭과 절연층의 두께와의 관계이다. 도 2b 및 도 2c는 분리 홈부의 폭과 절연층의 두께와의 관계 변화에 대한 절연층의 상태를 도시한다. 이 경우, 열 CVD법은 절연층에 대한 성막법으로서 효과적이며, HTO 막은 열 CVD법에 의해서 형성된 전형의 절연층이다. 절연층의 두께 t1의 경우, 절연층의 표면을 실질상 평탄하게 형성하기 위해서는 두께 t1을 분리 홈부의 폭 s1의 절반보다 크거나 같도록 설정하는 것이 좋다. 분리 홈부의 폭 s1의 경우, 절연층의 두께 t1의 두배보다 작거나 같도록 폭 s1을 설정하는 것이 좋다. 상기 관계에 의하면, 분리 홈부(82)은 도 2c에 도시한 바와 같이 절연층의 표면을 실질상 평탄하도록 절연층에 의해서 완전히 채워질 수 있다. 이와 같이 표면 레벨차가 전극층의 분리 홈부의 폭의 절반보다 크거나 같은 크기로 절연층을 형성함으로써 대부분 제거 가능하므로, 에어갭 형성 공정, 수지막 형성 공정 또는 다른 부재와의 결합 공정과 같은 이후 설명되는 후속 공정들이 손쉽게 수행 가능하다. 그 결과 정확한 간격을 갖는 에어갭을 갖춘 액츄에이터가 취득되며, 동시에 저가와 고신뢰성이 달성될 수가 있다.
여기서, 전극(12a)을 형성하기 위한 전극층(12)의 재료로서, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물 또는 몰리브데늄 규화물 등의 복합 규화물 또는 티타늄 질화물 등의 금속 화합물을 사용하는 것이 좋다. 이들 재료는 안정한 품질로 증착 및 처리될 수 있고 고온 처리를 견디는 구조로 만들어지므로, 다른 공정의 온도에 대해 제한이 적다. 예컨대 HTO(High-Temperature-Oxide) 막 등은 절연층(13)으로서 전극층(12) 위에 적층 가능하며, HTO 막은 고신뢰성을 갖는 절연층이다. 따라서 선택 범위는 넓어지며, 가격 절감 및 신뢰도의 향상이 달성 가능하다. 또한, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 몰리브데늄 또는 ITO 등의 재료가 사용 가능하다. 이들 재료를 사용함으로써, 놀랄만한 저항 감소가 달성되어 구동 전압의 감소를 가져올 수 있다. 또한 이들 재료로 제조된 막의 증착 및 처리는 안정한 품질로 용이하게 달성 가능하며, 가격 절감 및 신뢰도의 향상이 달성될 수 있다.
도 1b 및 도1c에서 비록 에어갭(14a)이 희생층(14) 부분을 에칭함으로써 형성될지라도, (14b)로 표시되고 도 1b의 구획부(50a)에 삽입된 희생층(14)의 다른 부분들은 본 발명에서 제거되지 않고 유지된다. 에어갭(14a)의 간격 g이 희생층(14) 부분을 제거함으로써 에어갭(14a)을 형성하여 희생층(14)의 두께에 의해 정확하게 정의되므로, 에어갭(14a)의 간격 "g"의 변화는 극히 작으며, 그에 따라 특성 변화가 없는 정확한 액츄에이터를 취득할 수가 있다. 여기서 에어갭(14a)의 간격 "g"은 진동판(19)과 전극(12a) 사이의 에어 스페이스의 크기에 대응한다. 또한 에어갭으로부터 외부 사항이 들어오는 것이 방지되므로, 안정된 수율이 발생되고 신뢰할 수 있는 액츄에이터가 취득 가능하다. 또한 희생층(14b)이 구획부(50a)에서 유지되고 진동판(19)이 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되므로, 에어갭(14a) 간격 "g"의 정확성이 구조적 내구성에 있어서 우수하다. 더욱이 희생층(14b)이 각 구획부(50a)에서 유지되므로, 진동판(19)의 표면 위에는 단차 또는 비평탄 구조가 없어 액츄에이터 형성 부재(10) 위에 형성되는 표면은 실질상 평탄하게 된다. 이처럼 나중에 언급되는 수지막의 형성 또는 다른 부재에 액츄에이터를 결합하기 위한 공정은 용이하게 수행될 수 있어 가격 절감 및 신뢰성의 향상을 가져온다.
여기서, 희생층(14)의 재료로서, 폴리실리콘 또는 비결정 실리콘을 사용하는 것이 좋다. 이러한 재료들은 에칭에 의해 매우 손쉽게 제거될 수가 있고, SF6 기체, XeF2 를 이용한 건식 에칭 방법 또는 테트라 메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH)의 용액을 이용한 습식 에칭 방법을 사용하는 것이 좋다. 또한, 폴리실리콘 및 비결정 실리콘이 일반적으로 사용되는 재료이며 고온에 견디기 때문에, 후속 공정에 있어 공정의 자유도 또한 높다. 또한 매우 중요한 에어갭(14a)의 간격 "g"의 변동이 큰 에칭 저항을 갖는 실리콘 산화물막(절연층(13),(15))을 희생층 상하에 배치함으로써 극히 작을 수가 있고, 특성 변동이 없는 정확한 액츄에이터가 취득 가능하다. 더욱이 저렴한 비용으로 대량 생산이 용이하다.
희생층(14)의 재료로서, 수지막과 같은 티타늄 질화물, 티타늄, 실리콘 산화물 또는 폴리머 재료가 사용 가능하다. 또한, 수지막 중에서 감광 수지 재료(레지스트 재료)가 사용되는 것이 좋은데, 이러한 재료가 손쉽게 처리될 수 있기 때문이다. 비록 에칭제(에칭 재료)와 에어갭 형성 공정은 재료 형성에 의존하고 희생층(14) 및 공정의 어려움 및 공정 비용 또한 희생층(14)의 재료에 의존하여 가변할지라도, 희생층(14)의 재료는 그의 목적에 의거 선택 가능하다.
희생층(14)의 용도로 실리콘 산화물막이 사용되는 경우, 희생층의 에칭 보호막(에칭 저지층)으로서 폴리실리콘을 사용하는 것이 좋다. 폴리실리콘막은 전극층(12)과 진동판 전극층의 용도로 통상 사용될 수 있다. 희생층(14)을 형성하는 산화물막을 제거하기 위해서는 습식 에칭법, HF 기상법, 화학적 건식 에칭법 등을 사용하는 것이 좋다. 에어갭(14a) 내부에서 절연층이 필요하다면, 절연층은 에칭 저지층으로서 유지하는 폴리실리콘막의 표면을 산화시켜 형성 가능하다. 이와 같이 실리콘 산화물막이 희생층(14)으로 사용되면, 희생층(14)의 제거는 반도체 제조 공정에 사용되는 에칭 재료에 의해 수행 가능하다. 또한 폴리실리콘막이 희생층의 양면에 형성되는 경우, 변동없이 제조 공정을 달성할 수가 있다. 또한 폴리실리콘막은 그대로 전극으로서 사용 가능하여 저렴하게 대량 생산이 가능하다. 더욱이 이와 같이 취득한 액츄에이터는 고품질이며 정확하다.
또한, 희생층(14)과 에칭제 재료의 다양한 조합에 의해 유사한 공정이 달성 가능하다. 예컨대 희생층(14)은 폴리머 재료가 희생층(14)으로 사용되는 경우 O2 플라즈마 또는 박리 액체에 의해 제거 가능하다. 희생층(14)은 희생층(14)으로 알루미늄이 사용되는 경우 KOH와 같은 액체로 제거 가능하다. 희생층(14)은 티타늄 질화물이 희생층(14)로 사용되는 경우 NH3OH 및 H2O2의 혼합 용액과 같은 화학 물질에 의해 제거 가능하다.
도 1b 및 도 1c에서 진동판(19)은 절연층(16)과, 공통 전극으로서 기능하는 진동판 전극층(16)과, 적층된 진동판의 응력 조절층으로서 기능하는 절연층(17)으로 차례로 구성된다. 절연층(15)은 희생층을 에칭하는 보호막(에칭 저지층)으로서 기능하며, 구획부(50a)의 희생층(14b)을 남기기 위한 보호막으로서 기여한다. 도 1c에 도시한 점선의 원으로 표시한 부분 A2으로 도시한 바와 같이, 희생층(14b)의 벽면 상의 절연층(15)은 희생층(14)에 형성된 분리 홈부(84)에서 채워진 물질에 대응한다. 도 1b 및 도 1c의 실시예에서, 비록 희생층(14)의 분리 홈부(84)이 절연층(15)에 의해서 만 채워질지라도, 분리 홈부(84)은 절연층(15) 이외에 전극층 및 절연층(17)과 같은 진동판의 다른 구조층에 의해서 채워질 수 있다. 절연층(15)의 표면 상에 형성된 단차 또는 비평탄 구조는 희생층(14)을 분할하는 분리 홈부(84)을 절연층(15)으로 채움으로써 작아질 수 있다. 더욱이 희생층(14b)은 분리 홈부(84)을 채우는 절연층(15)의 존재로 인해 구획부에서 유지 가능하다. 작은 단차 또는 비평탄 구조의 영향은 상기한 것과 같다. 더욱이 채워진 절연층(15)이 희생층(14b)벽면에 확고하게 고정되어 진동판(19)이 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되므로, 얻어진 액츄에이터의 에어갭(14a)의 간격 "g"의 정확도는 높고 구조적 내구성 또한 우수하다.
또한 전극층(12)의 분리 홈부(82)을 절연층(13)으로 채우는 경우와 유사하게, 희생층(14)의 분리 홈부(84)을 절연층(15)으로 채우는 경우 희생층(14)의 분리 홈부(84)의 벽의 절반보다 작거나 같은 두께로 절연층을 형성하는 것이 좋다. 그러나, 분리 홈부(84)을 진동판 층 전체(절연층(15), 진동판 전극층(16), 절연층(17)의 적층)진동판 전극층로 채우는 것이 가능하다. 그러므로 통상 희생층(14)의 분리 홈부의 폭은 전극층(12)의 분리 홈부(82)의 폭 보다 클 수 있다. 상술한 바와 같이 액츄에이터 형성 부재의 표면의 레벨차(단차 또는 비평탄 구조)는 거의 제거 가능하며, 그의 효과는 전술한 바와 같다.
진동판(19)의 일부를 구성하는 진동판 전극층(16) 재료로서, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물, 몰리브데늄 규화물, 티타늄 질화물, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 몰리브데늄 등의 재료가 전극층(12)의 재료와 동일한 이유로 사용 가능하다. 또한, ITO, 네사막 또는 ZnO 막과 같은 투명막이 사용 가능하다. 투명막이 사용될 때, 에어갭(14a) 내부 검사가 용이하게 수행 가능하다. 이처럼 제조 공정간 비정상을 검출할 수가 있어 비용 절감 및 신뢰도의 개선에 기여한다.
전술한 바와 같이, 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면(진동판(19)의 표면)은 전극층(12)의 분리 홈부(82)을 절연층(13)으로 채우는 것과, 구획부(50a)에 유지되는 희생층(14)의 분리 홈부(84)을 절연층(15)으로 채우는 것과, 진동판(19)에 형성되는 희생층 제거 구멍(60)을 통해 희생층(14)을 에칭하는 것으로 인해 거의 평탄해질 수가 있다. 액츄에이터의 표면이 평탄해지므로, 수지막 형성 공정은 이후 언급되는 바와 같이 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하여 환경 저항성(높은 습도에 대한 측정)을 취득하고 진동판(19)의 내부식성을 취득할 목적으로 수행 가능하다. 더욱이, 분리 부재를 액츄에이터 장치에 결합할 필요가 있는 경우, 이러한 결합 공정이 용이하게 수행 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 정전형 액츄에이터는 특성의 변동이 거의 없고 고신뢰성을 가진다. 또한 본 실시예에 따른 정전형 액츄에이터는 저렴하게 대량 생산으로 제조 가능하다.
(제2 실시예)
본 발명의 제2 실시예의 설명이 도 3a, 도 3b, 도 4, 도 5a, 도 5b를 참조하여 설명된다. 도 3a, 도 3b, 도 4, 도 5a, 도 5b에 있어서, 도 1b 및 도 1c에 도시한 부분과 동일한 부분은 동일 참조 부호를 붙인다.
도 1에서, 1은 액츄에이터를 형성하는 기판을, 11은 절연층을, 12a는 전극(개별 전극으로 지칭될 수 있음)을, 12b는 더미 전극을, 14는 희생층을, 15는 절연층(진동판 실 절연층으로 지칭될 수 있음)을, 16은 진동판 전극층을, 17은 진동판의 응력 조정부로서도 기능하는 절연층을 가리킨다. 또한 19는 절연층(15), 진동판 전극층(16), 절연층(17)으로 구성된 진동판을 가리킨다. 또한 14a는 희생층의 일부를 제거함으로써 형성된 에어갭을, "g"는 에어갭의 간격을, 60은 희생층 제거 구멍(관통 구멍)을, 50a는 구획부를, 14b는 구획부(50a)에서 유지하는 잔류 희생층을, 10은 액츄에이터가 형성되는 액츄에이터 형성부를 가리킨다.
도 3a 및 도 3b는 희생층 제거 구멍(60)이 제공되는 경우와 제공되지 않는 경우의 액츄에이터부의 단면도(2개의 평행 단면)를 도시하고 있다.
제2 실시예의 액츄에이터 형성부(10)는 액츄에이터를 형성하는 기판(1), 기판(1) 위에 형성된 전극층(12)(전극(12a) 및 전극(12b)), 전극층(12) 위에 형성된 구획부(50a), 구획부(50a)에 형성되며 전극(12a)에 인가된 전압에 의해 생성된 정전력에 의해서 변형 가능한 진동판(19), 진접 구획부(50a) 사이에 형성된 에어갭(14a)을 포함한다. 에어갭(14a)은 전극(12a)과 진동판(19)의 전극(16) 사이에 형성된 희생층(14)의 에칭부에 의해 제거됨으로써 형성된다. 에칭에 의해서 제거되지 않는 희생층(14)의 다른 부분은 잔류 희생층(14b)으로서 구획부(50a)에서 유지된다.
액츄에이터 형성 부재(10)는 고도의 세정 상태를 갖는 기판 위에 전극과 절연층을 형성하기 위해 성막 및 막처리(포토리소그래피 및 에칭)를 반복함으로써 형성된다. 기판(1)을 형성하는 실리콘을 이용하여 액츄에이터 형성 부재를 만들기 위해 고온 공정이 이용될 수 있다. 열산화법 또는 열질화법, 고온 산화물막(HTO)을 형성하는 열CVD 법 또는 양질의 질화물막을 형성하는 LP-CVD법과 같은 고품질의 막을 형성하는 공정이 고온 공정이다. 고온 공정을 채용함으로써, 우수한 전도성과 절연성을 갖는 액츄에이터 장치를 제공할 수 있는 고품질의 전극 재료와 절연재가 사용 가능하게 된다. 더욱이 고온 공정은 막두께의 제어 능력과 재생성에 있어 탁월하며, 그에 따라 전기적 특성이 변동없는 액츄에이터 장치가 제공된다. 또한 제어 능력과 재생성이 탁월하므로, 공정 설계가 수월해지며 저렴한 가격으로 대량 생산이 달성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 있어서, 전극층(12)은 기판(1) 위에 형성된 절연층(11) 위에 형성되며 분리 홈부에 의해서 각각의 채널(각 구동 비트)로 분할된다. 도 3b에서 점선의 원으로 표시한 부분 A3으로 도시한 바와 같이, 분리 홈부는 전극층(12) 위에 형성된 절연층(13)에 의해서 채워진다. 따라서 전극층(12)을 분리 홈부에 의해서 분할하고 분리 홈부(82)을 절연층(13)으로 채우기 위해 절연층(13)으로 전극층(12)을 덮음으로써, 후속 공정으로 단차 또는 비평탄 구조가 없는 평탄한 표면을 형성하는 것이 가능하다. 그 결과 전기적 특성의 변동이 없고 규격이 매우 정밀한 액츄에이터를 얻을 수가 있다.
분리 홈부(82)을 절연층(13)으로 완전히 채우기 위해서는 절연층의 표면을 거의 평탄하게 형성하기 위해 실질상 분리 홈부의 폭의 절반보다 크거나 같도록 절연층(13)의 두께를 설정하는 것이 바람직하다. 혹은 분리 홈부의 폭을 절연층의 두께의 두배보다 작거나 같도록 설정하는 것이 바람직하다. 상기 관계에 의하면, 분리 홈부는 절연층에 의해서 완전히 채워져 실질상 절연층의 표면을 실질상 평판하게 된다. 이처럼 표면 레벨차가 절연층을 실질상 전극층(12)의 분리 홈부(82)의 폭의 절반보다 크거나 같도록 형성함으로써 거의 제거될 수 있기 때문에, 에어갭 형성 공정, 수지막 형성 공정 또는 다른 부재와의 결합 공정과 같이 이후 설명되는 후속 공정들이 용이하게 수행 가능하다. 그 결과 정확한 간격의 에어갭을 갖는 액츄에이터가 구해지고 동시에 가격 절감 및 신뢰성 향상이 달성될 수 있다.
여기서, 전극(12a)을 형성하기 위한 전극층(12)의 재료로서, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물 또는 몰리브데늄 규화물과 같은 화합물 또는 티타늄 질화물과 같은 금속 화합물이 사용되는 것이 좋다. 이러한 재료들이 안정된 품질로 증착되고 처리되며, 고온 처리를 견디는 구조로 제조 가능하므로, 다른 공정에서 온도에 대한 제한은 없다. 예컨대 HTO(고온 산화물)막 등이 절연층(13)으로서 전극층(12) 위에 적층되며, HTO 막은 고신뢰성을 갖는 절연층이다. 이처럼, 선택 범위가 확대되고 가격 절감 및 신뢰성 향상이 달성될 수 있다. 또한, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 몰리브데늄 또는 IOP 등의 재료 또한 사용 가능하다. 이러한 재료들을 이용함으로써, 주목할만한 저항 감소가 달성되어 구동 전압의 감소를 가져온다. 또한 이러한 재료들로 제조된 성막 및 처리가 안정한 품질로 용이하게 달성될 수 있기 때문에, 가격 절감 및 신뢰성 향상이 달성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 비록 에어갭(14a)이 희생층(14) 부분을 에칭하여 제거함으로써 형성될지라도, 14b로 표시되고 도 1b의 구획부(50a)에 내장된 희생층(14)의 다른 부분은 본 발명에서 제거되지 않고 유지된다. 에어갭의 간격 "g"이 희생층(14) 부분의 제거에 의해 에어갭(14a)을 형성하여 희생층(14)의 두께에 의해서 정확하게 정의되므로, 에어갭(14a)의 간격 "g"의 변화는 극히 작으며, 그에 따라 특성의 변화가 없는 정확한 액츄에이터가 달성된다. 또한, 외부 물질이 에어갭(14a)으로 들어가는 것이 방지되므로, 안정한 수율과 신뢰할 수 있는 액츄에이터가 얻어질 수 있다. 또한, 희생층(14b)이 구획부(50a)에서 유지되고 진동판(10)이 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되므로, 에어갭(14a)의 정확한 간격 "g"이 잘 유지되어 액츄에이터는 구조적 내구성이 탁월하다. 더욱이 희생층(14b)이 구획부(50a)에서 유지되므로, 진동판(19)의 표면에는 단차 또는 비평탄 구조가 없어 액츄에이터 형성 부재(10) 위에는 거의 평탄한 표면이 형성되게 된다. 따라서 후술하는 수지막의 형성 또는 액츄에이터를 다른 부재와 결합하기 위한 공정이 용이하게 수행되어 결과적으로 가격 절감 및 신뢰도의 향상을 가져온다.
여기서, 희생층(14)의 재료로서 폴리실리콘 또는 비결정 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 재료는 에칭에 의해 용이하게 제거되며, SF6 가스를 사용하는 등방성 건식 에칭법, XeF2 가스를 사용하는 건식 에칭법 또는 테트라 메틸 암모늄 수산화물(TMAH)를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리실리콘 및 비결정 실리콘이 일반적으로 사용되므로, 후속 공정의 공정 자유도 또한 매우 높다. 또한, 매우 중요한 에어갭(14a)의 간격 "g"의 변화가 희생층 상하의 높은 에칭 저항을 갖는 실리콘 산화물막을 정렬함으로써 극히 작아질 수 있으므로, 특성의 변화가 없는 정확한 액츄에이터가 얻어질 수 있다. 더욱이 대량 생산 또한 저가로 달성 가능하다.
희생층(14)의 재료로서 티타늄 질화물, 알루미늄, 실리콘 산화물 또는 수지막과 같은 폴리머 재료가 사용 가능하다. 또한, 수지막 중에서 감광 수지 재료(레지스트 재료)가 양호한데 이러한 재료가 용이하게 처리 가능하기 때문이다. 비록 에칭제(에칭 재료) 및 에어갭 형성 공정이 희생층(14)을 형성하는 재료와 공정의 어려움에 의존하고 공정 비용 또한 희생층(14)의 재료에 따라 가변할지라도, 희생층(14)의 재료는 그의 목적에 따라 선택 가능하다.
실리콘 산화물막이 희생층(14)으로 사용되는 경우, 희생층의 에칭 보호막(에칭 저지층)으로서 폴리실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 폴리실리콘막은 통상 전극층(12)과 진동판 전극층으로서 사용 가능하다. 희생층을 형성하는 산화물막을 제거하기 위해, 습식 에칭법, HF 페이버 방법, 화학 건식 에칭법 등을 이용하는 것이 바람직하다. 에어갭(14a) 내부에 절연층이 필요한 경우, 절연층은 에칭 저지층으로서 유지하는 폴리실리콘막을 산화하여 형성 가능하다. 이처럼 희생층(14)으로서 실리콘 산화물막이 사용되는 경우, 희생층(14)의 제거는 반도체 제조 공정에서 사용되는 에칭 재료를 이용하여 수행 가능하다. 또한, 폴리실리콘막이 희생층의 양 실에 형성되는 경우, 변동없는 제조 공정이 달성될 수 있다. 또한 폴리실리콘막이 그 자체로서 전극으로서 사용 가능하여 저렴하게 대량 생산이 가능하다. 더욱이 이와 같이 구한 액츄에이터 또한 고품질 및 고정확도를 제공한다.
또한, 희생층과 에칭제의 재료의 다양한 조합에 의해 유사한 공정이 달성 가능하다. 예컨대 희생층(14)은 폴리머 재료가 희생층(14)으로 사용되는 경우 O2 플라즈마 또는 엑스폴리션 액체에 의해 제거 가능하다. 희생층(14)은 희생층으로 알루미늄이 사용되는 경우 KOH와 같은 액체에 의해 제거 가능하다. 희생층(14)은 희생층(14)으로 티타늄 질화물이 사용되는 경우 NH3OH 및 H2O2의 혼합 용액과 같은 화학 물질에 의해서 제거 가능하다.
도 3a 및 도 3b에서 진동판(19)은 절연층(15)을 갖는 적층막, 공통 전극으로서 기능하는 진동판 전극층(16), 진동판의 응력 조절부로서 기능하는 절연층(17)으로 적층하여 구성된다. 절연층(15)은 희생층을 에칭하는 보호막(에칭 저지층)으로서 기능하며 구획부(50a)의 희생층(14b)을 남기기 위한 보호막으로서도 기여한다. 도 3b에서 점선의 원으로 표시한 부분 A3으로 도시한 바와 같이, 희생층(14b)의 벽면 위의 절연층(15)은 제조 공정간 희생층(14)에 형성된 분리 홈부(84)에 채워진 재료에 대응한다.
도 3a 및 도 3b의 실시예에서, 비록 희생층(14)의 분리 홈부(84)이 절연층(15) 만으로 채워져 있을지라도 절연층(15) 이외에 전극층 및 절연층(17)과 같은 진동판의 다른 구조층에 의해서 분리 홈부(84)이 채워질 수가 있다. 절연층 표면 상에 형성된 단차 또는 비평탄 구조는 희생층(14)을 분할하는 분리 홈부(84)을 절연층(15)으로 채움으로써 작아질 수 있다.
또한, 희생층(14b)은 분리 홈부(84)에 채워진 절연층(15)의 존재로 인해 구획부에서 유지될 수가 있다. 작은 단차 또는 비평탄 구조의 영향은 상기한 바와 같다.
더욱이 채워진 절연층이 희생층(14b)의 벽면에 확고하게 고정되어 진동판(19)은 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되며, 이와 같이 구한 액츄에이터의 에어갭(14b)의 간격 "g"의 정확도는 높고 구조적 내구성 또한 탁월하다.
또한, 전극층(12)의 분리 홈부(82)에 절연층(13)이 채워지는 경우와 유사하게, 희생층(14)의 분리 홈부에 절연층(15)이 채워지는 경우 절연층(15)을 희생층(14)의 분리 홈부의 폭의 절반보다 작거나 같도록 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 분리 홈부(84)을 진동판 층 전체(절연층(15), 진동판 전극층(16) 및 절연층(17)의 적층)로 채우는 것이 좋다. 그러므로, 희생층(14)의 분리 홈부(84)의 폭은 전극(12)의 분리 홈부(82)의 폭 보다 클 수 있다. 상술한 바와 같이, 액츄에이터 형성 부재 표면의 레벨차(단차 또는 비평탄 구조)는 거의 제거될 수가 있고 그의 효과는 전술바와 동일하다.
진동판의 일부를 구성하는 진동판 전극층(16)의 재료로서, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물, 몰리브데늄 규화물, 티타늄 질화물, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 몰리브데늄 등의 재료가 전극층(12)의 재료와 동일한 이유로 사용 가능하다. 또한, ITO막, 네사막 또는 ZnO막과 같은 투명막 또한 사용 가능하다. 투명막이 사용되는 경우, 에어갭(14a) 내부의 검사가 용이하게 수행 가능하다. 따라서, 제조 공정간 비정상이 검출 가능하여 비용 절감 및 신뢰도의 향상에 기여한다.
전술한 바와 같이, 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면(진동판(19)의 표면)은 전극층(12)의 분리 홈부(82)을 절연층(13)으로 채우고, 구획부(50a)에서 유지되는 희생층(14)의 분리 홈부(84)을 절연층(15)으로 채우며, 진동판(19)에 형성된 희생층 제거 구멍(60)을 통해 희생층(14)을 에칭하는 것으로 인해 실질상 평탄하다. 액츄에이터의 표면이 평탄하므로, 수지막 형성 공정은 후술하는 바와 같이 희생층 제거 구멍을 밀봉하고 진동판의 내부식성을 얻음으로써 환경 저항(고습도에 대한 척도)을 얻기 위해 수행 가능하다. 더욱이 분리 부재를 액츄에이터 장치에 결합할 필요가 있을 때, 이러한 결합 공정이 용이하게 수행 가능하다. 그 결과 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 특성의 변동이 없고 고신뢰도를 갖는다. 또한 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 낮은 코스트로 대량 생산이 가능하다.
도 4, 도 5a, 도 5b는 더미 전극이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우 각각의 전극에 인가된 전위의 설정을 설명하기 위한 예를 도시하고 있다. 전극(12a)은 전위 파형을 각 액츄에이터 소자에 공급하는 개개의 전극에 대응하며, 전위 파형은 정전위 파형 또는 부전위 파형 혹은 정전위 및 부전위 파형이다. 또한 진동판의 전극(16)은 복수의 액츄에이터에 공통인 공통 전극에 대응한다. 이와 같이 전극(16)이 접지 전위를 공급하는 경우 혹은 전극(16)이 전극(12a)의 것과 다른 전위 파형을 공급하는 경우가 있다. 본 실시예에 있어서, 희생층(14b)은 예컨대 P 또는 As와 같은 불순물로 도핑된 폴리실리콘으로 제조된 전도성 재료의 형성된다.
도 4에 도시한 실시예에 있어서, 전극(12a) 및 전극(16)이 각 구획부(50a)의 각각의 영역에서 면하고 있으므로, 각 구획부(50a)에는 큰 정전 용량이 주어진다. 그러나, 액츄에이터의 고속 구동은 정전 용량을 포지티브 감소하기 위해 각 구획부(50a)에서 유지하고 있는 희생층(50a)을 기준 전위에 연결함으로써 달성 가능하다. 기준 전위의 적절한 전위는 접지 전위, 진동판 전극의 전위, 개개 전극의 전위, 진동판과 전극 사이의 전위 등의 구동 방법에 따라 변화한다. 이와 같이 구동 방법에 따라서 기준 전위로서 적절한 전위를 설정하는 것이 좋다. 도 4의 실시예에서, 서로 반전된 전위 파형이 전극(12a) 및 전극(16)에 각각 공급된다. 따라서 기판(1)의 전위와 동일한 접지 전위에 잔류 희생층(14b)을 설정하는 것이 좋다.
도 5a 및 도 5b에 도시한 실시예에서, 더미 전극(12b)이 형성되며 전극(12a) 및 전극(16)은 각 구획부(50a)의 영역에서 면하지 않는다. 따라서 각 구획부(50a)에서 생성된 정전 용량은 도 4에 도시한 실시예의 것 보다 작다. 그러나, 정전 용량은 각 구획부(50a)에서 유지하고 있는 희생층(14b)을 액츄에이터의 고속 구동을 더 용이하게 하는 임의의 기준 전위에 연결함으로써 추가로 감소될 수가 있다. 기준 전위의 적절한 전위는 접지 전위, 진동판 전극의 전위, 개개 전극의 전위, 진동판과 전극 사이의 전위 등의 구동 방법에 따라 변화한다. 이와 같이 구동 방법에 따라서 기준 전위로서 적절한 전위를 설정하는 것이 좋다.
도 5a에 도시한 예에서 진동판(19)의 전극(16)은 접지(GND) 전위에 설정되고, 더미 전극(12b) 및 잔류 희생층(14b)의 전위를 접지 전위에 설정하는 것이 좋다. 도 5b의 실시예에서 전극(12a) 및 전극(16)에는 반전 전위 파형이 공급되고 있으며, 더미 전극(12b)과 잔류 희생층(14b)의 전위를 진동판의 전위로 설정하는 것이 좋다.
구획부(50a)의 잔류 희생층(14b)이 상기 실시예처럼 전도성 재료로 제조되는 경우, 잔류 희생층(14b) 및 더미 전극(12b)은 전기 배선의 일부분으로서 사용 가능하다. 구획부(50a)의 정전 용량이 문제를 일으키는 경우, 전극(16)은 구획부(50a)의 영역에서의 전극(16)의 일부분이 더미 전극으로 제조되도록 분리 가능하다.
이와 같이 제조된 더미 전극 또한 전기 배선의 일부로서 사용 가능하다. 이들을 배선으로 사용함으로써 각 액츄에이터 소자를 소영역에서 형성 가능하므로 고밀도 집적이 달성 가능하다. 따라서 저렴하게 대량 생산된 고성능의 액츄에이터를 제조할 수가 있다.
잔류 희생층(14b)과 더미 전극(12b)을 전기 배선으로 사용하는 경우, 전극 사이를 전기적으로 연결하는 것이 필요하며 그에 따라 절연층(13,15,17)에는 개구(관통 구멍)가 사전에 마련된다. 그러나 관통 구멍이 형성된 영역에서 레벨 차이가 발생하므로, 관통 구멍은 레벨 차이가 문제를 야기하지 않는 영역에 형성되어야 한다.
(제3 실시예)
도 6a 내지 도 6e를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터에 대해서 설명하기로 한다. 도 6a는 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터의 평면 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 선 X1-X1'에서 본 단면도이다. 도 6c는 도 6a의 선 X2-X2'에서 본 단면도이다.도 6d는 도 6a의 선 Y1-Y1'에서 본 단면도이다.도 6e는 도 6a의 선 Y2-Y2'에서 본 단면도이다.
도면에서, 1은 액츄에이터를 형성하는 기판을, 11은 절연층을, 12a는 전극(개별 전극으로 지칭될 수 있음)을, 14는 희생층을, 15는 절연층(진동판 실 절연층으로 지칭될 수 있음)을, 16은 진동판 전극층을, 17은 진동판의 응력 조절 기능을 하는 절연층, 18은 잉크에 대한 내부식성을 갖는 수지막을 가리킨다. 또한 19는 절연층(15), 진동판 전극층(16), 절연층(17), 수지막(18)으로 구성된 진동판을 가리킨다. 또한 14a는 희생층의 일부분을 제거함으로써 형성된 에어갭을, "g"는 에어갭(14a)의 간격을, 50a는 구획부를, 14b는 구획부(50a)에서 유지되는 잔류 희생층을, 10은 액츄에이터가 형성되는 액츄에이터 형성부를 가리킨다.
또한, 도면에서 40은 에어갭(14a)이 형성되는 진동판 가동 영역을, 50은 잔류 희생층(14b)이 형성되는 분할 영역을 가리킨다. 또한 도 6a에서 알파벳 "a"는 진동판 가동 영역(40)의 짧은 실을, "b"는 진동판 가동 영역(40)의 긴 실을, "f"는 진동판 영역의 폭(분할폭)(50)을, "c"는 희생층 제거 구멍(60)(관통 구멍) 사이의 간격을 가리킨다.
비록 분할폭 "f"이 도 6a의 진동판의 짧은 실의 길이 "a" 보다 길지라도, 분할폭 "f"을 가능한 한 작게, 길이 "a"를 가능한 한 길게 설정하는 경우가 많다. 더욱이 짧은 실과 긴 실이 교체되는 경우가 있을 수 있다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 진동판 가동 영역(40)은 희생층(14)의 분리 홈부(84)에 채워지는 절연층(15a)에 의해서 구획부(50a)와 분리된다. 각 층의 두께와 분리 홈부(84)의 폭은 분할 영역(50)과 진동판 가동 영역(40) 사이에서 단차가 형성되지 않도록 설계된다. 또한 진동판이 진동판 가동 영역(40)에서 변형되도록 전극(12a)과 진동판(19) 사이에 전압을 인가하기 위해 전극(12a)은 절연층(11)을 통해 기판 위에 형성된다. 진동판 가동 영역(40)에 에어갭(14a)을 형성하기 위해 진동판에 희생층 제거 구멍(60)이 형성된다.
도 6a에 도시한 바와 같이 희생층 제거 구멍(60)은 구획부(50a) 부근에서 점선의 원으로 둘러싸인 작은 사각형 영역에 형성된다. 작은 사각형 영역의 실 s1,s2,s3은 구획부(50a)에 의해서 지지되므로, 사각형 부분에서 진동판 부분은 상대적으로 고강도를 갖는다. 이처럼 희생층 제거 구멍(60)이 상기 영역에 마련되면, 진동판에는 변형 또는 왜곡이 발생되지 않는다. 또한 상기 영역의 진동판이 상대적으로 확고하게 이동 가능하므로, 그 영역은 구획부(50a)가 위치하고 있는 구획부(50)에 속한다. 상기 구조에 의하면, 희생층 제거 구멍(60)은 진동판 가동 영역에 있지 않는 진동판의 일부분에 형성 가능하다.
상술한 바와 같이, 진동판 가동 영역(40)은 진동판의 변위에 영향을 미치지 않는 구획부(50a) 부근에서 희생층 제거 구멍(60)을 형성함으로써 평탄하게 제조 가능하다. 예컨대 진동판 가동 영역(40)이 미러(후술되는 광학 장치)로서 사용되는 경우 혹은 진동판 가동 영역(40)이 잉크젯 헤드의 압력 챔저로서 사용되는 경우에 대해서 유용하다.
또한, 희생층 제거 구멍(60)은 진동판의 짧은 실 길이 "a"보다 짧거나 같은 간격으로 진동판의 긴 실을 따라 정렬된다.
예컨대 잉크젯의 액츄에이터로서 사용하는 경우, 액츄에이터의 구조(위에서 보았을 때)는 복수의 액츄에이터를 고밀도로 정렬하는 것이 필요하므로 사각형인 것이 좋다. 인접 액츄에이터는 분할 영역과 사각형의 짧은 실 방향으로 정렬되는 구성을 취하는 것이 일반적이다. 대다수의 다른 마이크로 액츄에이터의 경우에 있어서, 액츄에이터는 사각형으로 제조된다.
희생층(14)의 에칭은 기본적으로 등방성 에칭에 의해 행해진다. 따라서 통상 희생층 제거 구멍(60)은 등간격으로 진동판 가동 영역(40)에서 그리드 패턴으로 배치되는 것이 효과적이다. 그러나, 희생층 제거 구멍(60)이 진동판 가동 영역(40)에 위치하고 있으면, 진동판의 표면은 평탄한 표면으로 형성될 수가 없고, 액츄에이터의 진동 특성에 영향을 미칠 수가 있다. 따라서 진동판(19)의 긴 실을 따른 단부와 구획부(50a) 부근에 희생층 제거 구멍(60)을 정렬하는 것이 좋다.
또한, 잉크젯 헤드의 액츄에이터로서 사용하는 경우, 확고한 진동판(19)이 저전압으로 변형될 수 있도록 2.0㎛ 정도의 작은 에어갭을 형성하는 것이 필요하다. 또한 잉크 유로의 벽(압력 액체실)으로서 진동판을 사용하기 위해서는 액체 누설이 발생하는 희생층 제거 영역(큰 개구)이 진동판에서 일어나지 않아야 한다. 그러므로, 비록 복수의 작은 희생층 제거 구멍(60)이 본 발명에 따른 액츄에이터에서와 같이 분할 영역에서 정혈되는 구조를 형성하는 것이 필요할지라도, 작은 희생층 제거 구멍(60)을 이용하여 희생층 제거 공정에 따른 비교적 큰 영역의 작은 에어갭을 형성하는 것이 어렵하고 고려된다.
그러나, 0.2㎛ 내지 2.0㎛의 에어갭이 이후 설명되는 구조, 처리 방법, 처리 조건을 만족함으로써 형성될 수 있다.
도 8은 에칭에 의해 희생층(14)을 제거할 때 희생층 제거 구멍(60)에서 반응 표면에 이르는 거리 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. SF6을 이용한 등방성 에칭에 의해서 닫힌 공간 내의 희생층(14)을 희생층 제거 구멍(60)을 통해 제거하는 경우, 에칭 시간은 희생층 제거 구멍(60)으로부터의 간격에 의존한다. 즉, 에칭된 부분의 크기는 희생층 제거 구멍(60)으로부터의 간격에 의존하며, 도 8에 도시한 바와 같이 에칭된 부분의 크기는 그 간격이 75㎛보다 크거나 같은 경우 포화되는 경향이 있다. 그러므로, 진동판의 긴 실을 따라 복수의 희생층 제거 구멍(60)을 정렬할 때, 짧은 실의 길이 "a"는 에칭된 부분의 크기가 포화하는 150㎛(75㎛ ×2)보다 작거나 같도록 설정하는 것이 좋다.
짧은 실이 150㎛보다 크거나 같게 설정되면, 에칭되지 않은 부분은 희생층 제거 구멍(60)으로부터 떨어진 부분에서 유지될 수 있다. 에칭 공정 시간이 에칭되지 않은 부분을 제거하기 위해 길어진다면, 비에칭 영역(마스크에 의해서 보호되지 않고 에칭되지 않는 영역)이 에칭되는 문제점이 발생할 수 있거나 잔류 희생층(14b)으로서 남겨질 일부분이 에칭 저지층의 장애로 인해 에칭되는 문제점이 발생할 수가 있다. 더욱이 에칭 공정 시간이 길어지면, 공정 코스트가 증가하여 대량 생산에 있어 문제점을 초래한다.
더욱이 희생층(14)의 에칭 관점에서, 배치된 희생층 제거 구멍(60)의 간격(피치) c 보다 에칭 효율이 개선될 수 있다. 전술한 바와 같이, 희생층(14)을 제거하기 위한 에칭이 등방성 에칭이므로, 희생층 제거 구멍(60)의 간격 "c"은 진동판의 짧은 실의 길이 "a"보다 짧거나 같은 것이 바람직하다.
도 9a, 도 9b,도 9c는 희생층 제거 구멍(60)과 희생층의 에칭 영역 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 진동판의 긴 실을 따라 정렬된 희생층 제거 구멍(60)의 간격(피치) "c"과 진동판의 짧은 실의 길이 "c" 사이의 관계가 a＞c 또는 a=c인 경우, 짧은 실 방향으로 진동판 영역의 희생층의 일부분이 에칭된 후 잔류 희생층이 에칭을 통해 일부가 효율적으로 에칭될 수가 있다.
한편, 도 9c에 도시한 바와 같이 a＜c인 경우, 희생층의 대부분은 짧은 실 방향으로 진동판 영역의 희생층의 일부분이 에칭된 후 남아 있다. 도 8의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 희생층 제거 구멍(60)들 사이의 간격 "c"이 150㎛(75㎛ ×2) 보다 크다면, 에칭될 희생층 부분을 완전히 에칭하기 위해서는 매우 긴 시간이 필요하다. 이 때문에 에칭되지 않는 막의 에칭된 크기는 문제를 야기하는 무시할 수 있는 크기가 될 수 있다. 따라서 등방성 에칭에 의해서 희생층을 에칭하는 경우, 희생층은 진동판의 짧은 실의 길이 "a"보다 짧거나 같도록 희생층 제거 구멍(60)의 간격 "c"을 설정함으로써 효율적이고 긍정적으로 제거될 수 있다. 따라서 제조 공정의 수율이 개선되고 액츄에이터의 품질이 개선된다.
참고적으로 희생층 제거 구멍(60)의 구성은 도 6a,7a,7b,7c에 도시한 것과는 다르다.
도 7a에 도시한 구성에 있어서, 희생층 제거 구멍(60)은 두개의 긴 실을 따라 서로 대향하지 않는다. 따라서 에칭 효율은 다소 향상되어 보다 정확한 처리가 수행될 수가 있다.
도 7b에 도시한 구성에 있어서, 희생층 제거 구멍(60)을 통해 들어가는 에칭제는 모든 방향에서 손쉽게 확산될 수 있다. 따라서 에칭 효율이 도 6a 또는 도 7a의 구성과 비교하여 향상될 수 있고, 높은 수율이 기대될 수 있다. 그러나, 진동판의 세기는 감소된다.
도 7c에 도시한 구성에 있어서, 희생층 제거 구멍(60)은 진동판 가동 영역 위에 형성된다. 비록 표면 특성이 상기 예의 구성에 비해 열등할지라도, 희생층(14)의 에칭 제거 효율은 최대화되고 구획부(50)의 크기는 최소화된다. 여기서 비록 희생층 제거 구멍(60)이 진동판의 긴 실 방향으로 연장하는 단일선을 따라 배치될지라도, 희생층 제거 구멍(60)은 복수의 선을 따라 배치될 수 있다. 더욱이, 복수 선의 경우 희생층 제거 구멍은 지그재그 배치로 구성 가능하다. 사용될 희생층 제거 구멍(60)의 배치는 그의 응용에 따라서 선택 가능하다.
희생층 제거 구멍(60)의 크기는 희생층(14)의 에칭 관점에서 큰 것이 바람직하나, 구획부(50a)의 세기를 얻어 수지막(후술함)에 의해서 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하기 위해 진동판 가동 영역에 주어지는 영향에 관점에서는 크기가 작은 것이 바람직하다.
각 희생층 제거 구멍(60)의 단면적의 최소화는 리소그래픽 공정에서의 해상도의 제한 및 희생층(14)을 제거하기 위한 에칭의 제한에 의해서 결정된다. 비록 상세한 설명은 생략하고 있지만 상세한 평가 결과로서, 에칭의 제한은 복수의 희생층 제거 구멍(60)을 복수의 라인을 따라 배치함으로써 제거 가능하다. 따라서 희생층 제거 구멍의 크기는 처리 제한에 따라서 결정될 수가 있다. 희생층 제거 구멍(60)이 종래의 반도체 제조 공정을 이용하여 형성되므로, 각 희생층 제거 구멍(60)의 단면적을 0.19㎛2보다 크거나 같게 설정하는 것이 좋다. 각 희생층 제거 구멍(60) 크기의 상한에 대해서는 후술한다.
본 실시예에 있어서, 도 6b 내지 6e에 도시한 바와 같이, 수지막(18)은 진동판(19)의 최상위층으로서 형성된다. 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하여 액츄에이터의 표면의 내부식성을 얻기 위해 수지막(18)이 마련된다. 희생층 제거 구멍(60)이 밀봉되지 않는 동안에 액츄에이터가 이용되는 경우, 고온 환경 하에서의 동작, 환경 변화(온도 변화) 또는 상이한 환경으로의 이송으로 인해 에어갭 내부에서 이슬이 형성될 수가 있다. 또한, 동작 환경으로부터 에어갭에 들어가는 외부 물질로 인해 오작동이 발생할 가능성이 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 문제점을 해결하기 위해(희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하기 위해), 진동판의 최상위 층으로서 수지막이 형성된다.
비록 내부식의 취득이 액츄에이터가 사용되는 환경과 다를지라도, 수지층은 다양한 환경하에서 내부식성을 갖는 유용한 보호막이다. 액츄에이터가 잉크젯 헤드의 압력 소자로서 사용되는 경우, 잉크에 대한 내부식성을 갖는 막이 필요한데 이는 진동판의 표면이 잉크와 접촉하기 때문이다. 특히 pH 값이 높은 알칼리성 잉크를 이용하는 잉크젯 헤드의 경우, 내부식성 막이 잉크에서 용해 가능하고(막 두께의 변화가 없음) 내구성을 갖는 막으로서 수지막이 필수 불가결한 수지막이다. 특히 폴리이미드막 또는 폴리파라페니렌벤즈비스옥사졸(PBO)막이 사용되는 것이 좋다.
도 11a 및 도 11b는 수지막(18)에 의한 희생층 제거 구멍(60)의 밀봉을 설명하기 위한 액츄에이터의 단면도이다.
이 실시예에서 도 11a에 도시한 바와 같이 수지막(18)은 희생층 제거 구멍(60)에 채워지나 에어갭(14a)으로 들어가지 않고 가동 영역의 진동판이 변형되지 않는 상태로 형성된다. 이 실시예에서 수지층(18)은 회전 도포법에 의해서 형성 가능하다. 종래의 방법이 사용되는 경우, 밀봉재는 도 11b에 도시한 바와 같은 모세관 현상으로 인해 에어갭으로 빨려 들어가고 에어갭(14a)은 밀봉재에 의해서 채워지는 문제점이 있다.
도 11a에 도시한 구조의 수지막을 형성하기 위해, 수지막이 형성되는 부재의 표면 거칠기, 수지막이 형성되는 부재의 표면 특성 등의 다양한 제한 사항, 구조 및 조건을 상정하는 것이 필요하다. 여기서 습식성이 액체가 표면과 접촉하는 경우 액체를 거부하지 않는 표면의 성질이다.
회전 도포법으로 수지막(18)을 형성하는 경우에, 제일 중요한 요소는 수지막(18)이 형성되는 부재의 표면 거칠기이다. 비평탄 구조의 정도가 수 미크론 정도이면, 수지막(18)은 균일하게 형성될 수 없다. 따라서, 적어도 진동판 가동 영역(40)과 구획 영역(50)을 포함하는 액츄에이터 형성 영역에서 거칠기 또는 비평탄 구조를 감소시키려는 시도가 있어야 한다. 표면의 평탄함은 본 발명에 따른 액츄에이터의 전술한 다양한 구조 및 방법에 의해서 달성되므로, 수지막(18)은 진동판 상에 양호하게 형성될 수 있다. 이 실시예의 경우, 액츄에이터 형성 영역에서의 표면 거칠기 또는 비평탄 구조는 0.5 ㎛ 정도 이하인 것이 실현될 수 있다.
회전 도포법으로 수지막(18)을 형성하는 경우에는, 수지막(18)이 형성되는 부재의 표면 습식 제어가 중요하다. 플루오르는 수지막(18)이 형성되는 (플루오르화된) 표면 상에 존재하는 것이 바람직하다. 이 방법에 대해서는, SF6 가스 또는 크세논 디플루오라이드 가스에 노출시키는 방법과 플라즈마 공정을 적용하는 방법이 있다. 플루오르를 함유한 표면은 수지막에 대한 습식 성질을 감소시키기 때문에, 공정 마진은 향상되고 수율과 품질이 향상된다.
이 실시예의 경우, 플루오르화 공정은 SF6 플라즈마를 사용하여 수행된다. 그 결과, 부재의 표면에서의 수지막에 대한 습식 성질은 감소되어, 수지막(18)이 희생층 제거 구멍(60)을 통해 에어갭(14a)으로 들어가는 것을 방지하고, 희생층 제거 구멍(60)은 수지막(18)으로 채워진다. 또한, 이 실시예의 경우, 희생층을 제거하기 위한 에칭은 SF6 플라즈마를 사용한 에칭에 의해서 수행되고, 이 에칭 공정은 액츄에이터 제조 공정을 단순화하도록 플루오르화 공정으로서 사용된다. 사용될 재료와 공정 흐름은 전술한 것에 한정되지 않는다.
회전 도포법으로 수지막(18)을 형성하는 경우에는 희생층 제거 구멍(60)의 외형(제거하는 구멍의 단면적 및 길이)이 중요하다.
도 10a 내지 도 10d는 희생층 제거 구멍(60)을 설명하는 도면이다. 도 10a는 각각의 희생층 제거 구멍(60)의 영역에 대한 평면도이다. 도 10b 내지 도 10d는 상이한 단면의 예들을 보여주는 단면도이다. 이 실시예의 경우, 단면의 외형은 평행형 실린더, 테이퍼형 실린더 또는 역테이퍼형 실린더 중 어느 하나이어도 좋다. 희생층 제거 구멍(60)의 단면은 도면의 영역 S에 대응한다.
희생층(14)를 제거하는 에칭의 관점에서 보면 희생층 제거 구멍(60)의 단면적이 큰 것이 바람직하지만, 진동판 제거 영역(40)에 미치는 영향을 억제하고 희생층 제거 구멍(60)을 수지막(18)으로 밀봉하는 관점에서 보면 단면적이 작은 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 희생층(14)을 제거하는 에칭을 고려하면, 희생층 제거 구멍(60)의 단면적의 하한은 0.19 ㎛2이다. 한편, 희생층 제거 구멍(60)의 단면적의 상한은 희생층 제거 구멍(60)의 밀봉의 관점으로부터 결정되며, 그 단면적은 10 ㎛2보다 작거나 같은 것이 발견되었다. 수지막(18)이 형성되는 표면에 대한 전술의 플루오르화 공정 및 플라즈마 공정을 포함하는 다양한 평가의 결과로서, 희생층 제거 구멍(60)의 단면적이 10 ㎛2보다 작거나 같은 경우에만, 희생층 제거 구멍(60)에 수지막(18)을 채워, 수지막 재료가 에어갭(14a)에 들어가는 것을 방지하는 것이 발견되었다.
또한, 표면에 대한 플루오르화 공정 및 플라즈마 공정은 편차를 방지하고, 수율 향상에 공헌하는[수지막 재료가 에어갭(14a)에 들어가는 것을 방지하는] 것이 발견되었다.
또한, 희생층 제거 구멍(60)의 길이, 즉 희생층 제거 구멍(60)이 형성되는 절연층[절연층(15 및 17)]의 두께 t2는 0.1 ㎛보다 크거나 같은 것이 바람직하다. 희생층 제거 구멍(60)이 형성되는 절연층의 두께 t2가 0.1 ㎛보다 작으면, 충분한 길이가 유지되지 않아, 수지 코팅 공정 동안에 충격에 의해서 생기는 희생층 제거 구멍(60)의 주변부의 파괴 때문에 수지막이 에어갭(14a) 안으로 들어갈 수 있다. 희생층 제거 구멍(60)이 형성되는 절연층의 두께가 0.1 ㎛보다 크거나 같은 경우에는, 희생층 제거 구멍(60)의 주변부는 파괴되지 않고 밀봉이 행해질 수 있어, 제조 공정의 수율이 향상된다.
수지막을 포함하는 내부식성 밀봉막을 형성하는 다양한 다른 방법, 예컨대 진공 증착법 등이 존재한다. 이들 방법 중에서, 회전 도포법은 종래의 방법이면서 가격도 저렴하다. 회전 도포법에 의하면, 수지막은 약 0.05 ㎛ 내지 수십 ㎛의 균일한 두께로 형성될 수 있다.
회전 도포법을 사용하여 희생층 제거 구멍(60)의 밀봉을 포함하는 수지막의 형성을 실현함으로써, 품질 및 비용 절감의 괄목할 만한 향상을 얻을 수 있다. 또한, 표면의 특성은 전술한 방법을 사용하여 수지막을 형성함으로써 더 향상될 수있다.
이 실시예에 따른 액츄에이터의 다른 구조 및 특징은 도 1b 및 도 1c와 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 전술의 실시예들의 구조 및 특징과 동일하므로, 이들에 관한 설명은 생략한다.
다음에, 도 12a 내지 도 12g를 참조하여 이 실시예에 따른 정전형 액츄에이터 제조 방법을 설명한다. 도 12a 내지 도 12g의 각 도면은 진동판의 짧은 면에 평행한 선을 따라 취한 단면도라는 것을 주목하여야 한다.
여기서, 액츄에이터 기판은 기판(1) 상에 차례로 전극 재료, 희생층 재료 및 진동판 재료를 증착시킴으로써 생성된다.
우선, 도 12a에 도시한 바와 같이, 절연층(11)에 대응하는 열 산화막은 (100)의 평면 방향을 가지며 기판(1)에 대응하는 실리콘 기판 위에 습식 산화법(발열 산화법)에 의해서, 예컨대 약 1.0 ㎛의 두께로 형성된다. 이어서, 전극층(12)으로 바뀌는 폴리실리콘은 절연층(11) 위에 0.4 ㎛의 두께로 증착되고, 저항을 감소시키도록 전극층(12)의 폴리실리콘에 인이 도핑된다. 사진식각법(사진식각 공정 기술 및 에칭 기술)으로 전극층(12)에 분리 홈부(82)를 형성한 후에, 즉 전극(12a)과 더미 전극(12b)을 형성한 후에, 고열 산화막(HTO막)이 절연층(13)으로서 0.25 ㎛의 두께로 형성된다. 이 때, 전극층(12)의 분리 홈부(82)는 절연층(13)의 표면이 평탄하도록 절연층(13)에 의해서 채워진다.
이어서, 도 12b에 도시한 바와 같이, 희생층(14)으로서 기능하는 폴리실리콘을 절연층(13) 위에 0.5 ㎛의 두께로 증착한 후에, 분리 홈부(84)가 사진식각법으로 희생층(14)에 형성되고, 나아가, 고온 산화막(HTO막)이 절연층(15)으로서 0.1 내지 0.3 ㎛의 두께로 증착된다. 이 때, 분리 홈부의 폭은 분리 홈부(84)가 절연층(15)과 같은 구조층에 의해서 채워질 수 있는 폭과 같은 것이 바람직하다. 이것은 진동판의 두께에 따라 다르지만, 폭을 2.0 ㎛보다 작거나 같게 설정하는 것이 바람직하다. 이 실시예의 경우, 분리 홈부(84)의 폭은 0.5 ㎛으로 설정된다.
따라서, 진동판(19)은, 희생층(14)을 분리 홈부(84)에 의해서 분할하고 희생층(14)을 절연층(15) 또는 진동판 층(19)[절연층(15), 진동판 전극층(16) 및 절연층(17)] 안에 내장함으로써 후속 공정에서 비평탄 구조가 거의 없는 실질상 평탄한 표면으로 형성될 수 있다. 따라서, 액츄에이터 기판의 표면은 평탄화될 수 있고, 후속 공정에 대한 공정 설계가 쉬워진다.
또한, 도 12c에 도시한 바와 같이, 진동판 전극층(공통 전극)(16)으로 넘어가는 인 도핑 폴리실리콘은 0.2 ㎛의 두께로 증착된다. 이어서, 진동판 전극층(16)은 희생층 제거 구멍(60)이 나중에 형성되는 영역의 희생층 제거 구멍(60)으로부터 과(過)크기로 된 패턴으로 사진식각법에 의해서 에칭된다. 후속해서, 절연층(17)은 0.3 ㎛의 두께로 형성된다. 절연층(17)은 진동판이 휘어지거나 변형되는 것을 방지하기 위한 스트레스 조정(휨 방지)막으로서 기능한다.
이 실시예의 경우, 절연층(17)은 0.15 ㎛의 두께를 갖는 질화막과 0.15 ㎛의 두께를 갖는 산화막으로 된 적층막이다. 도 13a 내지 도 13d는 휨 방지막의 예를 설명하는 단면도이다. 이들 단면도는 도 12c에 도시한 부분 A5에 대응하는 부분을 확대한 도면이다. 이 실시예는 도 13c에 도시한 예를 사용한다. 이들 도면에서, 점선으로 둘러싸인 부분 A6은 희생층 제거 구멍(60)이 나중에 형성되는 영역에 대응한다. 이들 도면에서, 참조 번호 17a는 장력 스트레스막이고 통상으로는 질화막으로 형성되며, 참조 번호 17b는 압축 스트레스막이고 많은 경우에 산화막으로 형성된다. 이 실시예의 경우, 절연층(17)의 하부층들인 진동판 전극층(16)과 절연층(15) 각각은 압축 스트레스막으로 형성된다. 즉, 진동판(19)은 막 두께를 스트레스 완충 제공용으로 설계하도록 압축 스트레스막들 사이에 삽입된다.
다음에, 도 12d에 도시한 바와 같이, 희생층 제거 구멍(60)은 사진식각법으로 형성된다. 도 12d의 참조 번호 70은 레지스트이다. 희생층을 제거하는 에칭은 그 희생층에 부착된 레지스트(70)에 의해서 수행될 수 있지만, 희생층을 제거하는 에칭은 이 실시예에서는 도 12e 및 도 12f에 도시한 바와 같이 레지스트를 제거한 후에 수행된다. 이것은 희생층의 제거 후에 레지스트가 제거되는 것을 방지하기 위한 것이다.
희생층(14)을 제거하는 에칭은 SF6 가스를 사용하는 등방성 건식 에칭에 의해서 수행되지만, KOH 또는 TMAH 등의 알칼리성 에칭액을 사용하는 습식 에칭을 사용하여도 좋고, XeF2를 사용하는 건식 에칭을 사용하여도 좋다. 희생층(폴리실리콘)(14)은 산화막으로 둘러싸여 있으므로, 희생층(14)은 산화막에 대해서 높은 전도도를 제공하는 희생층 제거 조건 하에서 제거될 수 있어, 만족할만한 정밀도를 갖는 에어갭(14a)이 형성된다. 또한, 분리 홈부(84)에 채워진 절연층(15)에 의해서 분리되는 희생층(14b)은 각각의 구획 부분(50a)에 유지되어, 액츄에이터 기판의 실질상 평면의 형성이 가능해진다.
희생층을 제거하는 에칭은 등방성 에칭이므로, 에어갭(가동 진동판)의 짧은 면의 길이 "a"보다 작거나 같은 간격으로 희생층 제거 구멍(60)을 배치하는 것이 바람직하다는 것을 주목하여야 한다.
이어서, 도 12g에 도시한 바와 같이, 수지막(18)은 진동판의 최상위층으로서 형성된다. 수지막은 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하고 잉크에 대한 진동판의 내부식성을 취득함으로써 환경 보호를 확보할 목적으로(에어갭에서의 수포 형성과 외부 물질의 침투를 방지할 목적으로) 제공되는 것이다.
수지막의 형성은 회전 도포법에 의해서 쉽게 수행될 수 있다. 이 방법에 의하면, 수지막은 약 0.05 ㎛ 내지 수 10 ㎛의 두께의 만족할만한 정밀도로 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 전술한 방법에 따라서 수지막을 형성함으로써, 표면 특성이 더욱 향상될 수 있다.
전술한 제조 방법에 의해서 생성된 정전형 액츄에이터의 경우, 에어갭의 거리 "g"는 희생층(14)의 두께에 의해서 정해질 수 있고, 따라서, 에어갭(14a)은 편차가 거의 없는 만족할만한 정밀도로 형성된다. 따라서, 진동판(19)의 진동 특성(분사 특성)의 변화도 거의 없다. 또한, 액츄에이터의 대부분은 반도체 공정에 의해서 형성되므로, 만족할만한 수율을 갖는 안정적인 대량 생산이 달성될 수 있다.
(제4 실시예 및 제5 실시예)
다음에, 도 14a 및 도 14b와 도 15a 및 도 15b를 참조하여 본 발명의 제4 실시예 및 제5 실시예를 설명한다. 도 14a 및 도 14b와 도 15a 및 도 15b의 각각은 제4 실시예 또는 제5 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면을 보여주고 있다. 도 14a 및 도 14b는 제4 실시예에 대한 것이고, 도 15a 및 도 15b는 제5 실시예에 대한 것이다. 도 14a 및 도 14b와 도 15a 및 도 15b에서, 도 1b 및 도 1c와 도 3a 및 도 3b에 도시한 부분과 동일한 부분은 동일한 참조 부호로 표기되어 있고, 이들에 대한 설명은 생략한다. 그러나, 이것이 동일한 재료로 형성되는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 14a 및 도 14b에 도시한 제4 실시예에서, 진동판(19)은 절연층(15), 진동판 전극층(16) 및 절연층(17)을 포함한다. 한편, 도 15a 및 도 15b에 도시한 제5 실시예에서, 진동판(19)은 절연층(15), 진동판 전극층(16), 절연층(17) 및 수지막(18)을 포함한다.
도 14a 및 도 14b에 도시한 제4 실시예에서, 밀봉 부재(41)는 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하도록 진동판(19)의 표면에 결합된다. 액츄에이터 기판이 진동판(19)에서 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하지 않고 액츄에이터로서 사용되는 경우에는, 고온 환경에서의 조작, 환경의 변화(습도의 변화) 또는 상이한 환경들간의 운송 때문에 에어갭에 수포 형성이 생기거나, 또는 액츄에이터가 사용되는 환경으로부터 외부 물질의 침투 때문에 조작이 실패하는 문제가 발생할 수 있다. 이 실시예의 경우, 전술한 문제를 해결하기 위해서, 밀봉 부재가 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하도록 진동판의 표면에 결합된다.
이 실시예에서는 밀봉 부재(41)로서 박판을 사용하지만, 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않고, 또한 밀봉 부재는 3차원 구성체이어도 좋다. 후술하는 바와 같이, 이 실시예에 따른 액츄에이터를 잉크젯 헤드로서 사용하는 경우에는, 잉크 유로(채널)를 형성하는 유로 형성 부재가 밀봉 부재로서 결합된다.
도 15a 및 도 15b에 도시한 제5 실시예에서, 수지막(18)은 진동판(19)의 최상위층 위에 형성되고, 밀봉 부재(41)는 수지층(18)에 결합된다. 전술한 바와 같이, 수지막을 형성하는 목적은 희생층 제거 구멍(60)을 밀봉하여 액츄에이터의 표면에 대한 내부식성을 취득하는 것이다. 희생층 제거 구멍(60)은 수지막의 형성에 의해서 밀봉되거나 폐쇄되므로, 고온 환경에서의 조작, 환경의 변화(습도의 변화) 또는 상이한 환경들간의 운송 때문에 에어갭에 수포가 형성될 가능성은 거의 없다. 또한, 액츄에이터가 사용되는 환경으로부터의 외부 물질의 침투 때문에 조작이 실패할 가능성도 거의 없다.
그러나, 통상의 수지막은 약간의 유전율을 갖기 때문에, 성질이 통상적인 것이 아닌 특수한 환경에 액츄에이터가 놓이는 경우에는, 수분의 급속한 침투가 방지되지 못할 수도 있다. 이 실시예의 경우, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 밀봉 부재들이 희생층 제거 구멍(60)을 완전하게 밀봉하도록 추가로 결합된다.
이 실시예에서는 밀봉 부재(41)로서 박판을 사용하지만, 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않고, 밀봉 부재는 3차원 구성체이어도 좋다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 액츄에이터를 잉크젯 헤드로서 사용하는 경우에는, 특히 높은 pH 값을 갖는 잉크를 사용하는 경우에는, 수지막과 같은 내부식성막을 형성할 필요가 있고, 유로 형성 부재가 수지막 형성 이후에 추가로 결합되어도 좋다.
제4 실시예 및 제5 실시예에서, 밀봉 부재(41)가 결합되는 표면은 전술한 실시예들에서 설명한 바와 같은 다양한 구조 및 방법에 의해서 평탄화되므로, 밀봉 부재(41)는 진동판(19) 상에 결합될 수 있다.
(제6 실시예)
도 16을 참조하여 본 발명의 제6 실시예를 설명한다. 도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 정전형 액츄에이터의 단면도이다. 도 16에서, 도 3b 및 도 6a 내지 도 6e에 도시한 부분과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 부여되어 있고, 이들에 대한 설명은 생략한다. 그러나, 이것이 동일한 재료로 구성되는 것을 의미하는 것은 아니다.
이 실시예의 경우, 전극측 절연층(13)과 진동판측 절연층(15)은 에어갭(14a)이 존재하는 영역에서의 이들의 두께의 변화가 부여된다. 절연층(13)과 절연층(15)의 각각의 두께는 진동판의 짧은 면에 평형한 선을 따르는 단면에서의 에어갭의 중앙 부분이 크고, 이 단면에서의 에어갭의 반대측 단부가 작도록 설정된다.
정전형 액츄에이터에서, 전압이 전극(12a)과 진동판 전극(16)에 인가되는 경우에, 정전 인력(引力)은 에어갭 거리 g의 방향으로 생성되어, 전극(12a) 쪽으로 진동판(19)이 변형된다. 진동판 가동 영역(40)의 진동판(19)은 고정 단부로서의 구획 영역(50)과 함께 일반적으로 가우시안 곡선[전극(12a)에서 볼 때 볼록 형상]으로 변형되고, 이 변형은 진동판의 중앙부에서 최대로 된다. 일부 경우에, 이 변형된 진동판(19)은 전극(12a)에 접촉할 수 있다. 이러한 경우에, 진동판(19)의 중앙 부분이 먼저 접촉하게 된다.
또한, 전극(12a)과 진동판 전극(16)에 걸리는 전압은 소정의 비율로 절연층(13), 에어갭(14a) 및 절연층(15)에 분할된다. 이 소정의 비율은 각각의 절연층의 두께, 각각의 절연층의 유전 상수, 및 에어갭의 거리 및 이 에어갭의 유전 상수에 따라서 결정된다. 정전 인력으로서 작용하는 전압의 부분은 에러 갭에 분배된 전압의 부분에 의해서 결정된다. 따라서, 동일한 전압이 인가되는 경우에는, 정전 인력은 절연층(13)과 절연층(15) 각각의 두께가 에어갭 거리 "g"에 비해 감소됨에 따라서 증가된다. 다시 말하면, 액츄에이터의 저전압 동작은 절연층(13)의 두께 및/또는 절연층(15)의 두께를 감소시킴으로써 시도될 수 있다. 한편, 액츄에이터의 정전 신뢰성(예컨대, 초기 유전체 전압 저항성 및 사용연한에 따른 유전체 브레이크다운 전압)을 공고히 하기 위해서는 소정의 절연층 두께가 요구된다.
전술한 문제에 따라서, 진동판(19)의 변형이 최대로 되는 절연층(13) 및 절연층(15)의 중앙 부분에서 이들 절연층(13) 및 절연층(15) 각각의 두께를 만족할만한 전기 신뢰도를 제공할 수 있는 값으로 설정하고 반대측 단부의 두께를 감소시킴으로써 신뢰성을 유지하면서 액츄에이터의 저전압 동작이 달성될 수 있다. 절연층(13)과 절연층(15) 모두의 두께를 변화시킬 필요는 없으며, 절연층(13)의 두께만을 변화시키거나, 또는 절연층(15)의 두께만을 변화시킬 수 있다. 또는, 절연층(13)과 절연층(15) 모두의 두께를 도 16에 도시한 바와 같이 변화시켜도 좋다.
다음에, 도 17a 내지 도 17g를 참조하여 정전형 액츄에이터 제조 방법을 설명한다. 도 17a 내지 도 17g의 각각은 진동판의 짧은 면에 평행한 선을 따라서 보는 단면도이다. 도 17a 내지 도 17g에서, 도 12a 내지 도 12g에 도시한 부분과 동일한 부분에는 동일한 참조 부호가 부여되고, 이들에 대한 설명은 생략한다. 그러나, 이것은 동일한 재료로 형성되는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 17a 내지 도 17d의 공정은 도 17a 내지 도 17d의 공정과 동일하므로, 이들에 대한 설명은 생략한다.
도 17e는 희생층을 제거하는 에칭 공정의 결과를 보여주는 것이다. 희생층(14)을 제거하는 에칭을 수행함으로써, 에어갭에서의 절연층(13) 및 절연층(15) 각각의 두께는 동시에 변화된다. 이 공정은 희생층(14)을 제거하는 에칭이 희생층 제거 구멍(60)의 근처에서부터 진행되고, 에어갭(14a)의 반대측 단부에서의 플라즈마 에칭 시간이 에어갭(14a)의 중앙 부분에서의 플라즈마 에칭 시간보다 길다는 사실을 사용한다.
도 17e의 공정과 도 12e의 공정의 차이는 에칭 스톱퍼로서 작용하는 절연층(13) 및 절연층(15)와 에칭될 희생층(14)간의 에칭 선택 비율에 대한 차가 주어지는 것에 있다. 즉, 도 17e의 예에서, 에칭 선택 비율이 도 12e에 도시한 예의 에칭 선택 비율보다 작아지도록 수단(means)이 선택된다. 여기서, 에칭 선택 비율은 "(희생층 재료의 에칭율)/(절연층 재료의 에칭율)"로 표현되는 추치값이다.
에칭 선택 비율을 변경하는 수단의 경우, 절연층(13)과 절연층(15) 및/또는 희생층(14)의 종류를 변경하는 수단, 막 증착 조건 및/또는 막 증착 방법을 변경하는 수단, 희생층(14)을 제거하는 에칭 조건을 변경하는 수단 등이 있다. 이 실시예에서는 희생층(14)을 제거하는 에칭 조건을 변경하는 수단이 사용되고 있지만, 이 수단에도 다양한 방법이 존재한다. 예컨대, 에칭액의 혼합 비율 또는 유량(사용량)이 변경될 수도 있고, 또는 플라즈마의 전력 공급이 변경될 수도 있다. 도 12e의 예와 달리, 희생층(14)을 제거하는 에칭은 도 17e의 예에서 그 위에 유지되어 있는 레지스트(70)에 의해서 수행된다. 그 이유는, 희생층(14)과 절연층(13 및 15)간의 에칭 선택 비율의 감소가 절연층(17)간의 에칭 선택 비율에 영향을 미치기 때문이다.
다음에, 레지스트(70)는 도 17e에 도시한 바와 같이 산소 플라즈마법에 의해서 제거된다.
마지막으로, 도 17g에 도시한 바와 같이, 진동판(19)의 최상위층으로서 기능하는 수지막(18)은 이 실시예에 따른 정전형 액츄에이터를 얻도록 형성된다. 그러나, 이 실시예의 공정에서는, 에어갭(14a)의 내부면이 희생층(14)을 제거하는 에칭 후에 산소 플라즈마에 노출되므로, 수지막을 형성하기 전에 플루오르 가스의 플라즈마를 사용하여 표면 처리를 수행할 필요가 있다.
(제7 실시예)
도 18, 도 19 및 도 20a 내지 도 20e를 참조하여 본 발명의 제7 실시예를 설명한다. 도 18은 본 발명의 제7 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 진동판의 짧은 면에 평행한 선으로 절취한 단면도이다.
도 18의 잉크젯 헤드는 제1 기판(액츄에이터 형성 부재)(1), 제2 기판(2), 및 제1 기판의 아래면과 윗변에 결합된 제3 기판(3)(노즐 형성 부재에 대응함)을 각각 포함한다. 전술한 실시예들과 마찬가지로, 제3 기판(3)을 제1 기판(1)에 결합시킴으로써, 복수의 노즐 구멍(31)에 연결된 액체 압력실(21), 공통 액체실(도시하지 않음) 및 유량 억제부가 형성된다.
제1 기판(1)에 형성된 액체 압력실(21)의 바닥벽은 진동판(19A)으로서 기능한다. 개별 전극(12a)들은 이들 사이에 에어갭(14a)을 갖는 진동판(19A)에 대향하도록 진동판(19A) 아래에 형성된다. 정전형 액츄에이터는 진동판(19A)과 개별 전극(12a)으로 구성된다.
진동판(19A)은 전극(12a)의 면 상의 질화막(5a)과 공통 전극으로서 기능하는 폴리실리콘막(5b)을 갖는다. 후술하는 바와 같이, 에어갭(14a)은 전극(12a)과 진동판(19A)의 형성 후에 전극(12a) 위에 형성된다. 따라서, 진동판(19A)의 전극 재료는 폴리실리콘막이고, 에칭 가스에 대한 높은 선택도를 갖는 질화막은 보호막으로서 적층된다. 그 결과, 에칭 가스에 대한 낮은 선택도를 갖는 전극 재료가 사용될 수있어, 액츄에이터 기판을 형성하는 공정의 선택 범위가 확대되고, 비용 절감을 시도할 수 있게 된다.
제1 기판(1)의 아래면에 결합된 제2 기판(4)은 제1 기판(1)을 보호하는 보호 기판으로서 기능한다.
홈부(45)는 각각의 에어갭(14a)에 대응하는 개별 전극(12a) 아래에 공통을 형성하도록 제2 기판(4)에 형성된다. 이들 홈부(45)는 연결 그루브(도면에 도시하지 않음)에 의해서 서로 연결되어 있다. 또한, 각각의 개별 전극(12a)은 에어갭(14a)이 구멍(46)을 통해서 연결을 거쳐 홈부(45)에 의해서 형성된 공동(空洞)에 연결된다.
개별 전극(12a) 아래에 형성된 공동은 에어갭(14a)의 공기가 진동판(19A)의 변위에 의해서 압축될 때 댐퍼로서 기능한다. 따라서, 진동판(19A)의 변위 때문에 생기는 에어갭(14a)의 압력 증가는 감소될 수 있어, 액츄에이터의 구동 전압이 감소하게 된다.
관통 구멍(46)[전술한 실시예의 희생층 제거 구멍(60)에 대응함]은 전극(12a)과 진동판(19A) 사이에 형성된 희생층을 에칭하는 경우에 통로 구멍으로서 사용된다. 도 19는 도 18에 도시한 잉크젯 헤드의 평면도로서, 관통 구멍(46)의 배치를 보여주고 있다. 도 19에 도시한 바와 같이, 관통 구멍(46)은 개별 전극(12a) 전체[각각의 에어갭(14a)에 대응함]에 대응하는 영역에 배치된다. 따라서, 희생층은 개별 전극(12a) 전체로부터 제거될 수 있어, 에어갭(14a)이 형성되어야 하는 영역에 에칭 가스가 공급될 수 있으므로, 에칭 시간이 절감되게 된다.
압력 조절 홈부와, 이 압력 조절 홈부에 연결되는 연결 구멍은 제2 기판(4)에도 형성된다. 또한, 압력 조절용의 가동판은 압력 조절 홈부에 의해서 정의되는 공동의 벽부를 형성하도록 제1 기판에 형성된다. 따라서, 홈부(45)와 압력 조절 홈부에 의해서 형성되는 공동과 에어갭(14a)에 건조한 공기를 공급한 후에 관통 구멍(46)을 폐쇄함으로써, 액츄에이터 부분은 외부 환경에 의한 영향을 받지 않는다.
다음에, 도 20a 내지 도 20e를 참조하여 전술한 잉크젯 헤드 제조 방법을 설명한다. 도 20a 내지 도 20e는 잉크젯 헤드 제조 방법을 설명하는 단면도이다.
우선, 도 20a에 도시한 바와 같이, 0.2 ㎛의 두께를 갖는 질화막(5a)과 0.1 ㎛의 두께를 갖는 폴리실리콘막(5b)은 제1 기판(1)을 구성하는 실리콘 기판 위에 형성된다. 실리콘 기판은 (110)의 평면 방향을 갖는다. 또한, 이 실시예의 경우, 폴리실리콘막(5b) 위에는 0.8 ㎛의 두께를 갖는 산화막(10c)이 형성된다. 절연막들[질화막(5a)과 산화막(10c)] 사이에는 공통 전극[폴리실리콘막(5b)]이 삽입되므로, 전도성 재료가 공통 전극의 재료로서 사용될 수 있다.
이어서, 산화막(10c) 위에는 0.5 ㎛의 두께를 갖는 폴리실리콘막(20)이 형성된다. 폴리실리콘막(20)은 희생층으로서 사용되고, 폴리실리콘막(20)의 두께는 에어갭(14a)의 거리(치수)를 정의한다.
또한, 폴리실리콘막(20) 위에는 절연층(13)과 개별 전극(12a)으로서 기능하는 산화막이 형성된다. 개별 전극(12a)의 재료로서는 폴리실리콘, 알루미늄, TiN, Ti, W, ITO 등이 사용될 수 있다.
후속해서, 개별 전극(12a)은 사진식각법에 의해서 패턴화되며, 절연층(13)과 폴리실리콘막(20)은 필요한 패턴으로도 패턴화된다.
이어서, 도 20b에 도시한 바와 같이, 절연층(15)에 대응하는, 5 ㎛의 두께를 갖는 산화막은 절연층(13) 위에 형성되며, 개별 전극(12a)과 절연층(15)의 노출면 위에도 형성된다. 약 1 ㎛의 화학기계 연마(CMP)법에 의해서 절연층(15)의 표면을 평탄화하는 것이 바람직하다. 따라서, 개별 전극을 포함하는 부분의 강성은 진동판(19A)의 강성의 10배보다 크거나 같도록 절연층(15)의 두께를 진동판(19A)의 두께보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 20에 도시한 바와 같이, 절연층(13 및 15)과 개별 전극(12a)은 희생층으로서 기능하는 폴리실리콘막(20)을 제거하는데 사용되는 관통 구멍(46)을 형성하도록 사직식각법에 의해서 패턴화된다. 또한, 도 19에 도시한 바와 같이, 전극 패드부(47)도 역시 개별 전극(12a)에 형성된다. 이어서, 측면에 노출된 개별 전극(12a)의 노출면 위에 산화법에 의해서 산화막이 형성되고, 폴리실리콘막(20)은 SF6을 이용하여 등방성 건식 에칭법에 의해서 제거된다.
희생층으로서 기능하는 폴리실리콘막(20)은 산화막(13 및 5c)에 의해서 둘러싸여 있으므로, 희생층은 산화막(13 및 5c)에 고전도도를 제공하는 회생층 에칭 조건 하에서 제거될 수 있어, 에어갭(14a)이 정밀하게 형성된다. 희생층으로서 기능하는 폴리실리콘막(20)을 제거하는 방법에 관해서, TMAH를 이용한 습식 에칭법과 XF2 가스를 이용한 정상압력 건식 에칭법이 사용되어도 좋다.
또한, 이 실시예의 경우, 희생층을 제거하는 관통 구멍(46)은 격자형 패턴으로 배치되지만, 관통 구멍(46)의 배치는 격자형 패턴에 한정되지 않는다. 관통 구멍(46)의 수가 많으면 개별 전극(12a)의 영역이 감소되어, 개별 전극(12a)과 진동판(19A) 사이에 생성되는 정전 인력이 감소된다. 따라서, 희생층을 제거하는 공정과의 정합을 시도하면서 관통 구멍(46)의 수, 구성 및 치수를 선택할 필요가 있다.
그 후, 도 20d에 도시한 바와 같이, 홈부(45)를 갖는 제2 기판은 접착제(47)에 의해서 제1 기판(1)에 결합된다. 이어서, 제1 기판(1)의 전면 위에 질화막(48)이 형성되고, 이 질화막(48)은 사진식각법에 의해서 액체 압력실(21)의 구성으로 패턴화된다. 이어서, 도 20e에 도시한 바와 같이, 액체 압력실(21)은 질화막(48)의 패턴을 마스크로서 이용함으로써 KOH를 이용하는 습식 에칭법에 의해서 제1 기판에 형성된다.
도면에는 도시되지 않았지만, 마지막으로, 노즐 형성 부재인 제3 기판은 제1 기판의 표면에 결합되어, 정전 잉크젯 헤드가 완성된다는 것을 주목하여야 한다. 전술한 제조 방법에 의해서 생성된 잉크젯 헤드의 경우, 갭 간격은 희생층의 두께에 의해서 정의되고, 에어갭은 정밀도가 만족할만 하고 변화가 거의 없도록 형성될 수 있다. 또한, 다이렉트 본딩 또는 애노드 본딩을 수행할 필요가 없으며, 제조 공정의 대부분은 반도체 제조 공정이고, 안정한 성능을 갖는 잉크젯 헤드가 만족할만한 수율로 제조될 수 있다.
(제8 실시예)
이제, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착된 액적 분사 헤드를 설명한다.
본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착된 액적 분사 헤드는, 액체 방울(액적)이 분사되는 노즐을 구비하는 노즐 형성 부재와, 노즐에 연결된 액체 압력실을 구비하는 유로 형성 부재와, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 형성되는 액츄에이터 형성 부재를 포함한다. 본 발명에 따른 액적 분사 헤드는 액적 상태의 액체 레지스트를 분사하는 액적 분사 헤드와, 액적의 형태로 DNA의 시료를 분사하는 액적 분사 헤드, 또는 이미지 또는 문서를 인쇄하도록 잉크의 액적을 분사하는 잉크젯 헤드용으로 사용될 수 있다.
예컨대, 잉크젯 헤드는, 잉크의 액적을 분사하는 하나 이상의 노즐 구멍과, 액체 압력실(분사실, 압력실, 잉크실, 액체실, 압력실 또는 잉크 유로라고도 함)과, 액체 압력실의 벽으로서 기능하는 가동 진동판과, 이 둘 사이에 에어갭을 두고 진동판에 면하는 전극을 포함한다. 정전 인력은 전극에 전압을 인가함으로써 전극들(진동판 전극과 전극) 사이에 생성된다. 따라서, 진동판은 정전 인력에 의해서 변형되며, 전압이 취소되는 경우에는, 진동판은 탄성력에 의해서 원래의 상태로 복원된다. 진동판의 복원 이동은 액체 압력실의 잉크를 가압하는 압력을 생성한다. 따라서, 잉크의 액적은 액체 압력실의 잉크를 가압함으로써 노즐 구멍으로부터 분사된다.
이제, 도 21, 도 22 및 도 23a 내지 도 23c를 참조하여 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착된 액체 분사 헤드에 대응하는 잉크젯 헤드를 설명한다. 도 21은 노즐 형성 부재가 끌어올려지고, 액츄에이터 형성 부재가 절삭된 상태에서 본 발명에 따른 잉크젯 헤드의 사시도이다. 도 22는 진동판의 짧은 면에 평행한 선을 따라 절취한 잉크젯 헤드의 단면도이다. 도 23a는 잉크젯 헤드의 사시 평면도이다. 도 23b는 진동판의 짧은 면에 평행한 선을 따라 절취한 잉크젯 헤드의 단면도이다. 도 23c는 진동판의 긴 면에 평행한 선을 따라 절취한 잉크젯 헤드의 단면도이다.
도 21에 도시한 잉크젯 헤드는 기판의 표면에 제공되는 노즐 구멍으로부터 잉크 액적을 분사하는 사이드 슈터형(side shooter type)[페이스 슈터형(face shooter type)이라고도 함]으로 되어 있다. 잉크젯 헤드는 액츄에이터 형성 부재(10), 유로 형성 부재(20) 및 노즐 형성 부재(30)를 포함하며, 이들 부재는 서로 적층되어 결합된다. 전술한 3개의 부재를 결합함으로써, 액체 압력실(21)과 공통 액체실(공통 잉크실)(25)은 이와 같이 형성된 기판에 형성된다. 잉크 액적이 분사되는 복수의 노즐 구멍(31)은 액체 압력실(21)에 연결된다. 공통 액체실(25)은 유량 억제부(37)를 통해서 각각의 액체 압력실에 잉크를 공급하기 위해서 제공된다.
이 실시예에서는 유량 억제부(37)가 노즐 형성 부재(30) 위에 형성되지만, 유량 억제부(37)는 유로 형성 부재(20)에 제공되어도 좋다. 또한, 노즐 구멍(31)은 유로 형성 부재(20)의 측면 표면(면부)에 제공되지만, 잉크젯 헤드는 노즐 구멍이 노즐 형성 부재(30)의 엣지면 또는 유로 형성 부재(20)의 엣지면 상에 제공되는 엣지 슈터형으로 구성될 수 있다.
이들 도면에서, 1은 액츄에이터를 형성하는 기판이고, 11은 절연층이며, 12a는 전극(개별 전극이라고도 함)이고, 12b는 더미 전극이며, 14는 희생층이고, 15는 절연층(진동판측 절연층이라고도 함)이며, 16은 진동판 전극층이고, 17은 진동판의 스트레스 조정으로서도 기능하는 절연층이며, 18은 잉크에 대해서 내부식성을 갖는 수지막이다. 또한, 19는 절연층(15), 진동판 전극층(16) 및 절연층(17)으로 구성된 진동판이다. 또한, 14a는 희생층의 부분을 제거함으로써 형성되는 에어갭이고, "g"는 에어갭의 거리이며, 60은 희생층 제거 구멍(통과 구멍)이고, 50a는 구획부이며, 14b는 구획부(14b)에 유지되어 있는 잔류 희생층이고, 10은 액츄에이터가 형성된 액츄에이터 형성부이다.
제8 실시예의 액츄에이터 형성부(10)는 액츄에이터를 형성하는 기판(1)과, 이 기판(1) 위에 형성된 전극층(12)[전극(12a)과 더미 전극(12b)]과, 전극층(12) 위에 형성된 구획부(50a)와, 구획부(50a) 위에 형성되고 전극(12a)에 공급되는 전압에 의해서 생성되는 정전력에 의해서 변형가능한 진동판(19)과, 인접한 구획부(50a)들 사이에 형성된 에어갭(14a)을 포함한다. 에어갭(14a)은 전극(12a)과 진동판(19)의 전극(16) 사이에 형성된 희생층(14)의 부분들을 에칭함으로써 제거되어 형성된다. 에칭에 의해서 제거되지 않은 희생층(14)의 다른 부분들은 잔류 희생층(14b)으로서 구획부(50a)에 잔류한다는 것을 주목하여야 한다.
액츄에이터 형성 부재(10)는 고도의 청정도를 갖는 기판 위에 전극과 절연층을 형성하도록 막 증착과 막 공정(사진식각 및 에칭)을 반복함으로써 형성된다. 고온 공정은 실리콘을 사용하여 기판(1)을 제작함으로써 액츄에이터 형성 부재를 형성하는데 사용될 수 있다. 고온 공정은 열 산화법 또는 열 질화법, 고온 산화막(HTO)을 형성하는 열 CVD법 또는 양질의 질화막을 형성하는 LP-CVD법과 같은 고품질막 형성 공정을 가리킨다는 것을 주목하여야 한다. 고온 공정을 채택함으써, 고품질의 전극 재료와 절연 재료가 이용 가능해지고, 따라서 우수한 전도도와 절연성을 갖는 액츄에이터 장치를 제공할 수 있다. 또한, 고온 공정은 막 두께의 제어성과 재생성이 우수하므로, 전기적 성질의 변화가 거의 없는 액츄에이터 장치를 제공할 수 있다. 또한, 제어성과 재생성이 우수하므로, 공정의 설계가 용이해지고, 저비용으로 대량 생산이 가능해진다.
전극층(12)은 기판(1) 위에 형성된 절연층(11) 위에 형성되어, 분리 홈부(82)에 의해서 각각의 채널(각각의 구동 비트)로 분할된다. 도 3b에서 점선으로 둘러싸인 부분 A3으로 나타낸 바와 같이, 분리 홈부(82)는 전극층(12) 위에 형성된 절연층(13)에 의해서 채워진다. 따라서, 분리 홈부(82)에 의해서 전극층(12)를 분리시키고, 절연층(13)에 의해서 분리 홈부(82)를 채우도록 절연층(13)에 의해서 전극층(12)를 덮음으로써, 후속 공정에서 단차 또는 비평탄 구조가 거의 없는 평탄면을 형성하는 것이 가능해진다. 그 결과, 치수가 고정밀하고 전기적 성질의 변화가 거의 없는 액츄에이터가 취득될 수 있다.
절연층(13)에 의해서 분리 홈부(82)를 완전하게 채우기 위해서는, 절연층의 표면을 실질상 평탄하도록 형성하기 위해서 절연층(13)의 두께를 분리 홈부의 폭의 절반보다 크거나 같도록 설정하는 것이 바람직하다. 또는, 분리 홈부의 폭을 절연층의 두께의 2배보다 작거나 같도록 설정하는 것이 바람직하다. 전술한 관계에 따르면, 분리 홈부는 절연층에 의해서 완전히 채워질 수 있어, 절연층이 실질상 평탄면으로 될 수 있다. 따라서, 표면의 레벨차는 절연층의 두께를 전극층의 분리 홈부의 폭의 절반보다 크거나 같도록 형성함으로써 대부분 제거될 수 있고, 에어갭 형성 공정, 수지막 형성 공정 또는 다른 부재와의 결합 공정과 같은 후술의 후속 공정이 쉽게 수행될 수 있다. 그 결과, 거리가 정밀한 에어갭을 갖는 액츄에이터가 취득될 수 있고, 동시에, 비용의 절감과 신뢰도의 향상을 시도할 수 있다.
여기서, 전극(12a)을 형성하는 전극층(12)의 재료로서는, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물 또는 몰리브데늄 규화물 등의 복합 규화물 또는 티타늄 질화물 등의 금속 합성물이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 이들 재료는 증착되어 안정한 품질로 처리될 수 있고 또한 고온 공정을 견디는 구조체로 제작될 수 있으므로, 다른 공정에서의 온도에 대한 제약이 적어진다. 예컨대, HTO(High-Temperature-Oxide)막 등은 절연층(13)으로서 전극층(12) 위에 적층될 수 있고, HTO막은 고신뢰도를 갖는 절연층이다. 따라서, 선택의 범위가 넓어질 수 있어, 비용 절감 및 신뢰성 향상이 시도될 수 있다. 또한, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 몰레브덴 또는 ITO 등의 재료도 사용될 수 있다. 이들 재료를 사용함으로써, 상당한 저항 감소가 시도될 수 있어, 구동 전압이 감소하게 된다. 또한, 이들 재료로 제작된 막의 증착 및 처리는 안정한 품질로 쉽게 달성될 수 있으므로, 비용 절감과 신뢰도 향상이 시도될 수 있다.
에어갭(14a)은 희생층(14)의 부분들을 에칭하여 제거함으로써 형성되지만, 14b의 부분으로 표시되고 도 1b의 구획부(50a)에 내장된 희생층(14)의 다른 부분들은 본 발명에서 제거되지 않고 유지된다.
에어갭(14a)의 거리 "g"는 희생층(14)의 부분들을 제거하여 에어갭(14a)을 형성함으로써 희생층(14)의 두께에 의해 정밀하게 정의되므로, 에어갭(14a)의 거리 "g"의 변화는 극히 작고, 따라서 특성의 변화가 거의 없는 정밀한 액츄에이터가 달성된다.
또한, 외부 기판은 에어갭 안으로 들어오지 못하므로, 안정한 수율로 생산될 수 있고, 신뢰성 있는 액츄에이터가 취득될 수 있다.
또한, 희생층(14b)이 구획부(50a)에 유지되고 진동판(10)이 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되므로, 에어갭(14a)의 거리 "g"의 정밀도는 양호하게 유지될 수있어, 액츄에이터의 구조적 내구성이 우수하다. 또한, 희생층(14b)이 구획부(50a)에 유지되므로, 진동판(19)의 표면의 단차 또는 비평탄 구조가 거의 없어, 액츄에이터 형성 부재(10) 상에 형성되는 표면은 실질상 평탄하게 된다. 따라서, 후술하는 바와 같은 수지막의 형성 또는 액츄에이터를 다른 부재와 결합시키는 공정은 쉽게 수행될 수 있어, 비용 절감과 신뢰도 향상으로 이어진다.
여기서, 희생층(14)의 재료로서는, 폴리실리콘 또는 비결정 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 재료는 에칭에 의해서 가장 쉽게 제거될 수 있고, SF6 가스를 이용하는 등방성 건식 에칭법, XeF2 가스를 이용하는 건식 에칭법, 또는 테트라 메틸 암모늄 하드록사이드(THAH) 용액을 이용하는 습식 에칭법을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리실리콘과 비결정 실리콘은 일반적으로 사용되는 저렴한 재료이고, 고온에도 잘 견디므로, 후속 공정에서의 공정의 자유도도 높다. 또한, 매우 중요한 에어갭(14a)의 거리 "g"의 변화는 희생층(14)의 위 및 아래에 높은 내에칭성을 갖는 실리콘 산화막을 배치하는 것에 의해서 극히 작게될 수 있으므로, 성질의 변화가 거의 없는 정밀한 액츄에이터가 취득될 수 있다. 또한, 저비용의 대량 생산도 쉬워진다.
희생층(14)의 재료에 대해서는, 티타늄 질화물, 알루미늄, 실리콘 산화물 또는 레지스트 재료(예컨대, 사진식각에 이용되는 감광성 수지 재료)가 사용될 수 있다. 에칭액(에칭 재료)과 에어갭 형성 공정은 희생층(14)을 형성하는 재료에 따라서 다르고, 또한 공정의 어려움 및 공정에 드는 비용도 희생층(14)의 재료에 따라서 달라질 수 있지만, 희생층(14)의 재료는 목적에 따라서 선택될 수 있다.
실리콘 산화막을 희생층(14)용으로 사용하는 경우에는, 희생층의 에칭의 보호박(에칭 스톱퍼)으로서 폴리실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 폴리실리콘막은 전극층(12)과 진동판 전극층용으로 통상 사용될 수 있다. 희생층을 형성하는 산화막을 제거하기 위해서는, 습식 에칭법, HF 증기법, 화학적 건식 에칭법 등을 사용하는 것이 바람직하다. 에어갭(14a) 내부에 절연층이 있어야 하는 경우에, 절연층은 에칭 스톱퍼로서 남아 있는 폴리실리콘막을 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 따라서, 실리콘 산화막이 희생층으로서 사용되는 경우에, 희생층의 제거는 반도체 제조 공정에 사용되는 에칭 재료를 이용함으로써 수행될 수 있다. 또한, 희생층의 양면 상에 폴리실리콘막이 형성되면, 변화가 거의 없는 제조 공정이 달성될 수 있다. 또한, 폴리실리콘막은 있는 그대로 전극으로서 사용될 수 있어, 저비용으로 대량 생산이 가능해진다. 또한, 이와 같이 취득된 액츄에이터는 고품질 및 고정밀도도 제공한다.
또한, 희생층의 재료와 에칭액을 다양하게 조합함으로써 유사한 공정이 달성될 수 있다. 예컨대, 희생층(14)은 폴리머 재료가 희생층(14)용으로 사용되는 경우에 O2 플라즈마 또는 박리(剝離) 액체에 의해서 제거될 수 있다. 희생층(14)은 알루미늄이 희생층(14)용으로 사용되는 경우에 KOH 등의 액체에 의해서 제거될 수 있다. 희생층(14)은 티타늄 질화물이 희생층(14)용으로 사용되는 경우에 NH3OH 및 H2O2의 혼합 용액 등의 화학 물질에 의해서 제거될 수 있다.
진동판(19)은 절연층(15)과, 공통 전극으로서 기능하는 진동판 전극층(16)과, 진동판의 스트레스 조정의 기능도 하는 절연층(17)을 차례로 적층한 적층막으로 구성된다. 절연층(15)은 희생층을 에칭하는 보호막(에칭 스톱퍼)으로서 기능하고, 또한 구획부(50a)의 희생층(14b)을 남기기 위한 보호층으로서도 공헌한다는 것을 주목하여야 한다. 희생층(14b)의 벽면의 절연층(15)은 제조 공정 동안에 희생층(14) 안에 형성된 분리 홈부(84)에 채워진 재료에 대응한다.
절연층(15)의 표면에 형성된 단차 또는 비평탄 구조는 희생층(14)을 분할시키는 분리 홈부(84)에 절연층(15)을 채움으로써 작게 만들어질 수 있다. 또한, 희생층(14b)은 분리 홈부(84)에 채워진 절연층(15)의 존재 때문에 구획부에 유지될 수 있다. 단차 또는 비평탄 구조가 작을 때의 효과는 전술한 바와 같다.
또한, 채워진 절연층은 희생층(14b)의 벽면에 공고하게 고정되어, 진동판(19)이 구획부(50a)에 의해서 확고하게 고정되므로, 이와 같이 취득된 액츄에이터의 에어갭(14a)의 거리 "g"의 정밀도가 높고, 또한 구조적 내구성도 우수하다.
또한, 전극층(12)의 분리 홈부(82)에 절연층(13)을 채우는 경우와 마찬가지로, 절연층(15)이 희생층(14)의 분리 홈부(84)에 채워지는 경우에 절연층(15)을 희생층(14)의 분리 홈부(84)의 폭의 절반보다 작거나 같도록 형성하는 것이 바람직하다. 이것의 효과는 전술한 것과 동일하다.
진동판(19)의 부분을 구성하는 진동판 전극층(16)의 재료로서는, 폴리실리콘, 티타늄 규화물, 텅스텐 규화물, 몰리브데늄 규화물, 티타늄 질화물, 알루미늄, 티타늄, 텅스턴, 몰리브데늄 등의 재료가 전극층(12)의 재료와 동일한 이유로 사용될 수 있다. 또한, ITO막, 네사(nesa)막 또는 ZnO막 등의 투과성 막이 사용될 수도 있다. 투과성 막이 사용되는 경우에는, 에어갭(14a)의 내부 검사가 쉽게 수행될 수 있다. 따라서, 제조 공정 기간에 비정상 상태가 검출될 수 있어, 비용 절감 및 신뢰도 향상의 시도에 공헌한다.
전술한 바와 같이, 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면[진동판(19)의 표면]은 평탄하게 만들어지므로, 유로 형성 부재(20)와 노즐 형성 부재(30)는 만족할만한 정밀도로 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면에 결합될 수 있다.
유로 형성 부재(20)의 경우, 액체 압력실(21)은 액츄에이터 형성 부재(10)의 진동판 가동부에 대응하는[도면의 에어갭(14a)에 대응하는] 부분에 형성되고, 공통 액체실(25)은 각각의 액체 압력실(21)에의 잉크 공급용으로 형성된다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 공통 액체실에 연결된 잉크 공급구는 외부로부터 잉크를 공급하도록 제공된다.
이 실시예의 경우, 유로 형성 부재(20)의 유로 기판(2)은 약 150 ㎛의 두께를 갖는 니켈 판으로 형성된다. 간략화의 목적상, 기판(2)은 간략화의 목적상 기계적 펀칭법에 의해서 형성되거나, 또는 알려진 사진식각 공정 기술 및 습식 에칭 기술에 의해서 형성된다. 유로 형성 기판(2)의 재료로서는, 스테인레스 스틸(SUS) 기판, 유리 기판, 수지판 또는 수지막, 실리콘 기판, 또는 전술한 것들의 적층 기판이 사용되어도 좋다. 특히, 실리콘 (100) 기판은 비등방성 에칭에 의해서 수직 방향으로 에칭될 수 있으므로, 고밀도 헤드를 형성하는데 매우 유용하다.
유로 형성 부재(20)를 액츄에이터 형성 부재(10)에 결합시키는데에는 몇 가지 방법이 있다. 일 예로서 접착제를 사용하는 경우에, 접착제는 가압력을 부여함으로써 막박으로 만들어질 수 있어, 조립 정밀도가 높고 잉크 밀봉이 강해진다. 따라서, 접착제를 사용하는 결합법은 고품질의 잉크젯 헤드를 제공할 수 있다.
노즐 형성 부재는 50 ㎛의 두께를 갖는 니켈 판으로 형성되는 노즐 기판(3)을 포함한다. 노즐 구멍(31)은 노즐 기판(3)의 표면부에 제공되고, 따라서 노즐 구멍(31)은 개개의 액체 압력실(21)에 연결된다. 또한, 유량 억제부(37)에 대응하는 홈부는 유로 형성 부재(20)에 면하는 노즐 기판의 표면에 제공된다. 노즐 기판(3)의 재료로서는, 스테인레스 스틸(SUS) 기판, 유리 기판, 수지판 또는 수지막, 실리콘 기판, 또는 전술한 것들의 적층 기판이 사용되어도 좋다.
다음에, 이와 같이 형성된 잉크젯 헤드의 동작을 간략히 설명한다. 액체 압력실(21)이 잉크로 채워진 상태에서 40 V의 펄스 전압이 발진 회로(구동 회로)에서부터 전극(12a)으로 인가되는 경우에, 전극(12a)의 표면은 양전위로 하전된다. 따라서, 전극(12a)과 진동판 전극(16) 사이에는 정전 인력이 발생되고, 그 결과, 진동판(19)이 전극(12a) 쪽으로 변형된다(즉, 휘어진다). 따라서, 액체 압력실(21)의 압력은 감소되어, 잉크는 공통 액체실(25)에서부터 유량 억제부(37)를 거쳐서 액체 압력실(21)로 유입될 수 있다.
그 후, 펄스 전압이 제로로 감소되면, 정전력에 의해서 변형된 진동판(19)은 자체 탄성 때문에 원래의 모양으로 복원된다. 그 결과, 액체 압력실(21)의 잉크의 압력은 급상승하여, 잉크 액적은 도 22에 도시한 바와 같이 노즐 구멍(31)에서부터 기록 용지 쪽으로 분사된다. 잉크 액적의 분사는 전술한 동작을 반복함으로써 연속해서 수행될 수 있다.
여기서, 진동판 전극(16)과 전극(12a) 사이에 발생된 정전 인력 F는 이들 전극간의 거리에 반비례로 증가한다. 따라서, 전극(12a)과 진동판(19) 사이의 에어갭(14a)의 거리(에어갭 g)를 작게 형성하는 것이 중요하다.
이어서, 전술한 바와 같이, 작은 에어갭은 희생층 에칭법에 의해서 에어갭(14a)을 형성함으로써 만족할만한 정밀도로 형성될 수 있다.
이제, 도 24a 내지 도 24f를 참조하여 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 제조 방법을 설명한다. 도 24a 내지 도 24f의 각각은 진동판의 짧은 면에 평행한 선을 따라서 절취한 단면도이다.
이 공정에서, 액츄에이터는 액츄에이터 기판(1) 상에 전극 재료, 희생층 재료 및 진동판 재료를 순차적으로 증착시킴으로써 생성된다.
우선, 도 24a에 도시한 바와 같이, 절연층(11)에 대응하는 열 산화막은, (100)의 평면 방향을 갖고 기판(1)에 대응하는 실리콘 기판 위에 습식 산화법에 의해서, 예컨대 약 1.0 ㎛의 두께로 증착된다. 이어서, 전극층(12)으로 바뀌는 폴리실리콘은 0.4 ㎛의 두께로 절연층(11) 위에 증착되고, 전극층(12)의 폴리실리콘에 인이 도핑되어 저항성을 감소시킨다. 분리 홈부(82)를 사진식각법(사진식각 공정 기술 및 에칭 기술)에 의해서 전극층(12)에 형성한 후에, 즉, 전극(12a)과 더미 전극(12b)을 형성한 후에, 고온 산화막(HTO막)이 절연층(13)으로서 0.25 ㎛의 두께로 형성된다. 이 때, 전극층(12)의 분리 홈부(82)는 절연층(13)의 표면이 평탄해지도록 절연층(13)에 의해서 채워진다. 전극(12a)은 전극 패드(55)로 확장되는 것을 주목하여야 한다.
후속해서, 도 24b에 도시한 바와 같이, 희생층(14)으로서 기능하는 폴리실리콘을 절연층(13) 위에 0.5 ㎛의 두께로 증착한 후에, 분리 홈부(82)는 사진식각법에 의해서 희생층(14)에 형성되고, 나아가 고온 산화막(HTO막)이 절연층(15)으로서 0.1 내지 0.3 ㎛의 두께로 증착된다. 이 때, 분리 홈부(84)의 폭은 분리 홈부(84)가 절연층(15)과 같은 구조층에 의해서 채워질 수 있는 폭과 같은 것이 바람직하다. 이것은 진동판(19)의 두께에 따라서 다르지만, 폭을 2.0 ㎛보다 작거나 같도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 실시예의 경우, 분리 홈부(84)의 폭은 0.5 ㎛으로 설정된다.
따라서, 진동판(19)은, 희생층(14)을 분리 홈부(84)에 의해서 분할시키고, 희생층(14)을 절연층(15) 또는 진동판(19)[절연층(15), 진동판 전극층(16) 및 절연층(17)]에 내장시킴으로써 후속 공정 하에서 비평탄 구조가 거의 없는 실질상 평탄한 표면으로 형성될 수 있다. 따라서, 액츄에이터 기판의 표면은 평탄화될 수 있고, 후속 공정의 설계가 쉬워진다.
또한, 도 24c에 도시한 바와 같이, 진동판 전극층(공통 전극)(16)으로 바뀌는 인 도핑 폴리실리콘은 0.2 ㎛의 두께로 증착된다. 이어서, 진동판 전극층(16)은 희생층 제거 구멍(60)이 나중에 형성되는 영역에 희생층 제거 구멍(60)로부터 과(過)크기로 된 패턴으로 사진식각법에 의해서 에칭된다.
후속해서, 절연층(17)은 0.3 ㎛의 두께로 형성된다. 절연층(17)은 진동판이 휘거나 변형되지 않도록 방지하는 스트레스 조정(휨 방지)막으로서 기능한다. 이 실시예의 경우, 절연층(17)은 0.15 ㎛의 두께를 갖는 질화막과 0.15 ㎛의 두께를 갖는 산화막의 적층막이다.
다음에, 도 24d에 도시한 바와 같이, 희생층 제거 구멍(60)은 사진식각법에 의해서 형성된다.
이어서, 희생층(14)을 제거하는 에칭은 SF6 가스를 이용하는 등방성 건식 에칭법에 의해서 수행된다. KOH 또는 TMAH 등의 알칼리성 에칭 액체를 이용하는 습식 에칭법이 사용될 수도 있고, 또는 XeF2 가스를 사용하는 건식 에칭법이 사용될 수도 있다는 것을 주목하여야 한다.
희생층(폴리실리콘)(14)은 산화막에 의해서 둘러싸이므로, 희생층(14)은 산화막에 비해 높은 전기성을 제공하는 희생층 제거 조건 하에서 제거될 수 있고, 그 결과, 만족할만한 정밀도로 에어갭(14a)을 형성할 수 있다.
또한, 분리 홈부(84)에 채워진 절연층(15)에 의해서 분리되는 희생층(14b)은 각각의 구획부(50a)에 유지되어, 액츄에이터 기판의 표면이 실질상 평탄하도록 형성할 수 있다.
희생층을 제거하는 에칭은 등방성 에칭이므로, 희생층 제거 구멍(60)을 에어갭(가동 진동판)의 짧은 면의 길이 "a"보다 작거나 같은 간격으로 배치하는 것이 바람직하다.
그 후, 도 24e에 도시한 바와 같이, 액체 압력실(21)과 공통 액체실(25)이 형성되는 액체 압력실(21)은 이와 같이 형성된 액츄에이터 형성 부재(10)에 접착제에 의해서 결합된다. 이 때, 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면은 평탄하게 만들어지므로, 접착제 결합이 쉽게 수행된다. 또한, 에어갭(14a)은 희생층 제거 구멍(60)을 유로 형성 부재(20)에 의해서 폐쇄함으로써 완전히 밀봉될 수 있다.
그 후, 도 24f에 도시한 바와 같이, 잉크젯 헤드는 노즐 형성 부재(30)를 유로 형성 부재(20) 위에 결합함으로써 완성된다. 전술한 바와 같이, 전술한 제조법에 의해서 생성된 정전형 액츄에이터를 포함하는 액적 분사 헤드의 경우, 에어갭의 거리 "g"는 희생층(14)의 두께에 의해서 정의되고, 따라서, 에어갭은 변화가 거의 없이 만족할만한 정밀도로 형성된다. 그러므로, 진동판의 진동 특성(분사 특성)에 변화도 거의 없다. 따라서, 액체 주입 특성(분사 특성)에 변화가 거의 없어, 고품질의 기록을 수행할 수 있는 잉크젯 헤드를 얻을 수 있다. 또한, 액츄에이터의 대부분은 반도체 공정에 의해서 형성될 수 있어, 안정한 대량 생산이 만족할만한 수율로 달성될 수 있다.
또한, 액츄에이터 형성 부재(10)의 표면은 평탄하므로, 유로부(액체 압력실 및 유량 억제부)는 회전 도포법에 의해서 제공되는 감광 폴리이미드 또는 DFR에 의해서 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 설명은 생략하지만, 유로 형성 부재를 별개로 준비할 필요가 없다. 또한, 높은 pH 값을 갖는 잉크젯 헤드의 경우에는, 내부식성 수지막을 진동판의 최상위층에 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 이 실시예에 따른 액적 분사 헤드는 액체의 액적을 분사하는 노즐을 구비하는 액츄에이터 형성 부재(10)와, 노즐에 연결된 액체 압력실을 구비하는 유로 형성 부재(20)와, 액체 압력실의 액체에 압력을 가하는 액츄에이터 형성 부재를 포함하므로, 액츄에이터 형성 부재는 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터이고, 이와 같이 취득된 액적 분사 헤드는 액체 주입 특성의 변화가 거의 없으며 신뢰성 있고 저비용으로 제조된다.
액체 주입 헤드로서, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착된 잉크젯 헤드 외에, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 잉크 이외의 액체를 분사하는 액적 분사 헤드로서 액체 레지스트를 분사하는 액적 분사 헤드용으로 사용되어도 좋음을 주목하여야 한다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 헤드는 액정 디스플레이의 컬러 필터를 제조하는 컬러 필터 제조 장치에 장착되는 액적 분사 헤드로서 사용되어도 좋다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 헤드는 유기 전계발광(EL) 디스플레이 또는 면발광 디스플레이(FED)의 전극을 형성하는 전극 형성 장치에 장착되는 액체 주입 헤드로서 사용되어도 좋다. 이 경우, 전기 전도성 페이스트와 같은 전극 재료가 주입된다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 헤드는 바이오칩을 제조하는 바이오칩 제조 장치에 장착되는 액체 주입 헤드로서 사용되어도 좋다. 이 경우,액적 분사 헤드는 DNA의 시료, 생물학적 유기 재료 등을 분사한다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 헤드는 전술한 액체 주입 헤드 이외의 산업용 용도의 액체 주입 헤드에도 적용할 수 있다.
다음에, 도 25를 참조하여 본 발명에 따른 액적 분사 헤드의 잉크 카트리지 일체형 헤드를 설명한다.
본 발명에 따른 잉크 카트리지 일체형 헤드(100)는 노즐 구멍(101)을 구비하는 전술의 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 잉크젯 헤드(102)와, 노즐 구멍(101)에 잉크를 공급하는 잉크 탱크(103)를 포함한다. 잉크젯 헤드(102)와 잉크 탱크(103)는 서로 일체로 된다. 따라서, 잉크를 공급하는 잉크 탱크를 본 발명에 따른 액적 분사 헤드와 일체로 하는 경우에는, 액적 분사 성질의 변화가 거의 없는 신뢰성 있는 액적 분사 헤드(잉크 탱크 일체형 헤드)와 일체로 된 잉크 카트리지는 저비용으로 달성될 수 있다.
다음에, 도 26 및 도 27을 참조하여 본 발명에 따른 액적 분사 헤드인 잉크젯 헤드가 장착된 잉크젯 기록 장치를 설명한다. 도 26은 본 발명에 따른 잉크젯 기록 장치의 사시도이다. 도 27은 도 26에 도시한 잉크젯 기록 장치의 기구부의 측면도이다.
도 26에 도시한 잉크젯 기록 장치는 장치 본체(111)를 구비한다. 장치 본체(111)에는, 주주사 방향으로 이동가능한 캐리지와, 이 캐리지 상에 탑재된 본 발명에 따른 기록 헤드와, 기록 헤드에 잉크를 공급하는 잉크 카트리지를 포함하는 인쇄 메카니즘(112)이 수용된다. 급지(給紙) 카세트(또는 급지 트레이)(114)는 전면에 자유롭게 삽입 또는 분리될 수 있도록 장치 본체(111)의 하부에 삽입/분리가능하게 부착될 수 있다. 또한, 수동 급지 트레이(115)는 인쇄 용지를 수동으로 이송시키도록 피벗식으로 제공된다. 인쇄 용지(113)는 급지 카세트(114) 또는 수동 급지 트레이(115)로부터 이송된다. 원하는 이미지가 인쇄 메카니즘(112)에 의해서 기록되는 인쇄 용지(113)는 장치 본체(111)의 후면에 부착된 배지(排紙) 트레이(116) 위로 배출된다.
인쇄 메카니즘부(112)는 좌우측 판(도시하지 않음)과 부(副)안내봉 사이에 연장하는 주(主)안내봉(121)을 구비한다. 캐리지(123)는 주주사 방향(도 27의 용지면에 수직한 방향)으로 안내봉(121)과 부안내봉(122)에 의해서 이동가능하게 지지된다. 본 발명에 따른 액적 분사 헤드인 잉크젯 헤드로 구성된 헤드(124)는 캐리지(123)에 탑재된다. 헤드(124)의 복수의 잉크 카트리지부는 각각의 컬러, 즉 옐로우(Y), 시안(C), 마젠타(M) 및 블랙(Bk)의 잉크 액적을 아래 방향으로 분사하도록 주주사 방향에 수직한 방향으로 정렬된다. 또한, 캐리지(123)에는 각각의 컬러 잉크를 헤드(124)에 공급하는 각각의 잉크 카트리지(125)가 교환가능하게 장착된다. 본 발명에 따른 전술의 잉크 카트리지가 장착될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
잉크 카트리지(125)는 상부의 분위기에 연결된 분위기구와 하부의 잉크젯 헤드에 잉크를 공급하는 공급구가 제공되고, 잉크가 채워진 다공성 재료가 그의 내부에 제공된다. 잉크 카트리지(125)는 모세관 힘에 따른 약한 부압으로 잉크젯 헤드에 공급되는 잉크를 보존하고 있다. 각각의 컬러의 헤드(124)는 이 예에서의 기록 헤드로서 사용되지만, 단일 헤드 h는 각각의 컬러의 잉크 액적을 분사하는 노즐을 구비한다. 캐리지(123)의 후면(용지 반송 방향의 하류측)에는 안내봉(121)이 결합되어 있고, 전면(용지 반송 방향의 상류측)에는 부안내봉(122)이 활주가능하게 결합되어 있다. 캐리지(123)를 주주사 방향으로 이동시켜 주사하기 위해서, 타이밍 벨트(130)가 주주사용 모터(127)에 의해서 구동되는 구동용 풀리(128)와 휴지용 풀리(129) 사이에 설치된다. 타이밍 벨트(130)는 캐리지(123)가 주주사용 모터(127)의 정회전 및 역회전에 응답하여 가역적으로 이동가능할 수 있도록 캐리지(123)에 고정된다. 급지 카세트(114)에 수용된 인쇄 용지(113)를 헤드(124) 아래 위치로 이송시키기 위해서, 장치에는, 급지 카세트(114)로부터의 각각의 인쇄 용지(113)를 분리시켜 이송시키는 이송용 롤러(131) 및 마찰 패드(132)와, 각각의 인쇄 용지(113)를 안내하는 안내 부재와, 각각의 인쇄 용지(113)를 역전시켜 운송시키는 운송용 롤러(134)와, 운송용 롤러(134)의 외주면에 대해서 압착되는 운송용 롤러(135)와, 운송용 롤러(134)가 이송시키는 각각의 인쇄 용지(113)의 이송각을 정의하는 단부 롤러(136)가 설치된다. 운송용 롤러(134)는 일련의 기어를 통해서 부주사용 모터(137)에 의해서 회전 구동된다.
인쇄 용지 안내 부재로서 기능하는 플래튼 부재(139)도 역시 설치된다. 플래튼 부재(139)는 주주사 방향에서의 기록 헤드(124)의 이동 범위에 응답하여 기록 헤드(124) 아래에서 운송용 롤러(134)로부터 이송되는 각각의 인쇄 용지(113)를 안내한다. 급지 방향의 플래튼 부재(139)의 하류측에는, 각각의 인쇄 용지(113)를 용지 배출 방향으로 이송시키도록 회전 구동되는 운송용 롤러(141)와 휴지용 롤러(142)가 설치된다. 또한, 각각의 인쇄 용지를 배지 트레이(116)로 배출시키는 배지용 롤러(143)와 휴지용 롤러(144)가 설치되며, 용지 배출 경로를 정의하는 안내 부재(145 및 146)도 설치된다.
기록 시에는, 기록 헤드(124)가 캐리지(123)를 이동시키면서 이미지 신호에 응답하여 구동된다. 그에 따라서, 잉크가 1 라인을 기록하도록 정지되는 인쇄 용지(113) 쪽으로 분사되고, 이어서, 인쇄 용지(113)를 소정의 거리만큼 이송시킨 후에 다음 라인의 기록이 수행된다. 기록 종료 신호, 또는 인쇄 용지(113)의 유출 엣지가 기록 영역에 도달하는 것을 나타내는 신호를 수신할 때, 기록 동작이 종료되어, 인쇄 용지(113)가 배출된다.
헤드(124)의 분사 실패를 복구하는 복구 장치(147)는 캐리지(123)의 이동 방향의 우측 종료측의 기록 영역 외부 위치에 배치된다. 복구 장치(147)는 캡핑 수단, 흡인 수단 및 클리닝 수단을 구비한다. 캐리지(123)는 인쇄 준비 기간에 복구 장치(147)의 측면으로 이동되어, 헤드(124)가 캡핑 수단에 의해서 캡핑된다. 그에 따라서, 분사구 부분은 젖은 상태로 유지되어, 마른 잉크 때문에 분사 실패가 발생하지 않는다. 또한, 기록 동안에 잉크의 점성을 기록하는데 전혀 사용되지 않는 잉크를 분사함으로써, 분사구가 일정하게 유지되고, 그 결과, 안정한 분사 성능이 유지된다.
분사 실패가 발생하는 경우에, 헤드(124)의 분사구(노즐)는 캡핑 수단에 의해서 밀봉된다. 이어서, 공기 방울 등이 흡인 수단에 의해서 잉크와 함께 분사구로부터 배출된다. 또한, 분사구의 표면에 뭍은 잉크와 먼지는 클리닝 수단에 의해서 제거된다. 그 결과, 분사 실패가 복구된다. 흡인된 잉크는 소모 잉크 저장소(도면에는 도시하지 않음)로 배출되어, 소모 잉크 저장소의 잉크 흡수 재료에 의해서 흡수된다.
따라서, 전술한 잉크젯 헤드에는 본 발명에 따른 액적 분사 헤드인 잉크젯 헤드가 장착되므로, 잉크 액적의 분사 특성에 변화가 거의 없어, 고품질의 이미지가 기록될 수 있다.
상기한 설명에서는 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터를 이용한 잉크젯 헤드가 장착된 잉크젯 기록 장치를 설명하였지만, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터 헤드는 액체 레지스트를 액적으로서 분사하는 액적 분사 장치용으로 사용되어도 좋다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 장치는 액정 디스플레이의 컬러 필터를 제조하는 컬러 필터 제조 장치용으로 사용되는 액체 주입 장치로서 사용되어도 좋다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 장치는 유기 전계발광(EL) 디스플레이 또는 면 발광 디스플레이(FED)의 전극을 형성하는 전극 형성 장치용의 액체 분사 장치로서 사용되어도 좋다. 이 경우, 액체 주입 장치는 액적 분사 헤드로부터 전도성 페이스트와 같은 전극 재료를 주입한다. 또한, 본 발명에 따른 액적 분사 장치는 바이오칩을 제조하는 바이오칩 제조 장치용의 액체 주입 장치로서 사용되어도 좋다. 이 경우, 액체 주입 장치는 DNA의 시료, 생물학적 유기 재료 등을 액적 형태로 분사한다. 또한, 본 발명에 따른 액체 주입 장치는 전술한 액체 주입 장치 외의 산업용 용도의 액체 주입 장치에도 적용할 수 있다.
이제, 도 28을 참조하여 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 설치된 마이크로 장치로서의 마이크로 펌프를 설명한다. 도 28은 본 발명에 따른 마이크로 펌프의 부분을 도시하는 단면도이다. 도 28에 도시한 마이크로 펌프는 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터를 구성하는 액츄에이터 기판(202)과 유로 기판(201)을 포함한다. 유체가 관통하는 유로(203)는 유로 기판(201)에 형성된다. 액츄에이터 기판(202)은 변형가능하고 유로(203)의 벽을 형성하는 진동판(가동판)(222)과, 소정의 에어갭(223)이 중간에 개입된 진동판(222)의 개개의 변형가능부(222a)에 대향하는 전극(224)을 포함한다. 액츄에이터 기판(202)의 표면은 실질상 평탄한 표면에 형성된다. 액츄에이터 기판(202)의 구조는 잉크젯 헤드의 실시예에서 설명한 구조와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음에, 마이크로 펌프의 동작 원리를 설명한다. 전술한 잉크젯 헤드의 경우와 같이, 펄스 전위를 전극(224)에 선택적으로 부여함으로써, 정전 인력이 진동판(222)에 발생되어, 진동판(222)의 각각의 변형가능부(222a)가 전극(224) 쪽으로 변형된다. 도면의 우측에서부터 하나씩 순차적으로 변형가능부(222a)가 구동되면, 유로 상의 유체는 화살표 방향으로 흘러, 유체의 전송이 가능해진다.
이 예에서, 특성의 변화가 거의 없는 저전력 소비의 소형 마이크로 펌프는 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착됨으로써 취득된다. 이 예에서는 복수의 변형가능부가 진동판에 형성되었지만, 변형가능부의 수가 1개이어도 좋다는 것을 주목하여야 한다. 또한, 전송 효율을 향상시키기 위해서, 예컨대 체크 밸브와 같은 1개 이상의 밸브가 변형가능부들 사이에 설치되어도 좋다.
이제, 도 29를 참조하여 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터를 구비한 광학 장치를 설명한다. 도 29는 본 발명에 따른 광학 장치를 도시하는 단면도이다. 도 29에 도시한 광학 장치는 광을 반사시킬 수 있는 면을 구비한 변경가능한 미러(301)를 포함하는 액츄에이터 기판(302)를 포함한다. 반사성을 증가시키기 위해서 유전체 다층막 또는 금속막을 미러(301)의 면에 형성하는 것이 바람직하다.
액츄에이터 기판(302)은 기초 기판(321) 위에 설치된 변형가능한 미러(301)(헤드의 진동판에 대응함)와, 소정의 에어갭이 중간에 개입된 미러(301)의 개개의 변형가능부(301a)에 면하는 전극(324)을 포함한다. 미러(301)의 표면은 실질상 평탄한 면으로 형성된다. 액츄에이터 기판(302)은 진동판이 미러 표면을 구비하는 것을 제외하고 잉크젯 헤드에 대해 전술한 실시예에서 설명한 구조와 동일한 구조를 구비하므로, 이것에 대한 설명은 생략한다.
여기서, 광학 장치의 원리를 설명한다. 전술한 잉크젯 헤드와 마찬가지로, 정전 인력은 전극(324)에 전압을 선택적으로 인가함으로써 전극(324)과 미러(301)의 개개의 변형가능부(301a) 사이에 발생되고, 그 결과, 미러(301)의 개개의 변형가능부(301a)가 오목한 형태로 변형되어 오목 거울로 된다. 따라서, 광원(310)으로부터의 광이 렌즈(311)를 통해서 미러(301)에 조사되고, 미러(301)가 구동되지 않는 경우에는, 광은 입사각과 동일한 각도에서 반사된다. 한편, 미러가 구동되는 경우에는, 구동되는 변형가능부(301)가 오목 거울로 되어, 반사광은 산란광이 된다. 그 결과, 광변조 장치가 달성된다.
따라서, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터가 장착됨으로써 특성의 변화가 거의 없는 저전압 소모의 소형 광학 장치가 취득될 수 있다.
도 30을 참조하여 광학 장치의 응용예를 설명한다. 도 30에 도시한 예에서, 전술한 변형가능부(301)는 2차원으로 배치되고, 각각의 변형가능부(301a)는 독립적으로 구동된다. 4×4 배치가 도시되어 있지만, 이것 이외의 배치도 가능하다는 것을 주목하여야 한다.
따라서, 전술한 도 29의 구조와 같이, 광원(310)으로부터의 광은 렌즈(311)를 통해 미러(301)로 조사되고, 구동되지 않는 미러(301)의 부분에 입사되는 광은 투광 렌즈(312)에 입사된다. 한편, 전압을 개개의 전극(324)에 인가함으로써 변형가능부(301a)가 변형되는 경우에는 미러(301)의 부분이 오목 거울로 변하여, 광의 부분이 산란되어 투광 렌즈(312)에 거의 입사되지 않는다. 투광 렌즈에 입사되는 광은 스크린(도면에는 도시하지 않음)에 투사되고, 따라서, 이미지가 스크린에 표시된다.
전술한 마이크로 펌프 및 광학 장치(광변조 장치) 이외에, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터는 다중 광 렌즈, 마이크로 유량계, 압력 센서 등의 액츄에이터(광 스위치)에도 적용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
본 발명은 구체적으로 개시한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 수정예와 변형예가 이루어질 수 있다.

Claims (49)

  1. 정전형 액츄에이터로서,
    기판;
    상기 기판에 형성된 전극;
    상기 전극 위에 형성된 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되며 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 일부분을 에칭하여 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고,
    상기 구획부는 상기 에칭 후 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 정전형 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판인 것인 정전형 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구획부에 대응하는 위치에서 더미 전극을 더 포함하고, 상기 더미 전극은 분리 홈부에 의해 상기 전극과 전기적으로 분리되는 것인 정전형 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희생층은 폴리실리콘, 비결정 실리콘, 실리콘 산화물, 알루미늄, 티타늄 질화물, 폴리머로 이루어진 그룹에서 선택된 재료로 제조되는 것인 정전형 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극은 폴리실리콘, 알루미늄, 티타늄, 티타늄 질화물, 티타늄 규화물, 텅스텐, 텅스텐 규화물, 몰리브데늄, 몰리브데늄 규화물 및 ITO로 이루어진 그룹에서 선택된 재료로 제조되는 것인 정전형 액츄에이터.
  6. 제3항에 있어서, 절연층은 상기 전극 위에 형성되며, 상기 분리 홈부는 절연층으로 채워지는 것인 정전형 액츄에이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 상기 분리 홈부 각각의 폭의 절반보다 크거나 같은 것인 정전형 액츄에이터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 희생층은 상기 분리 홈부에 의해서 분할되며, 상기 분리 홈부가 상기 절연층으로 채워지도록 상기 희생층 위에 절연층이 형성되는 것인 정전형 액츄에이터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 상기 분리 홈부 각각의 폭보다 크거나 같은 것인 정전형 액츄에이터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 희생층은 전도성 재료로 제조되며, 상기 희생층의 상기 잔류 부분은 상기 잔류 부분이 상기 기판, 상기 전극, 상기 진동판 중 하나와 동일 전위에 있도록 상기 기판, 상기 전극, 상기 진동판 중 하나에 전기적으로 연결되는 것인 정전형 액츄에이터.
  11. 제3항에 있어서, 상기 희생층은 전도성 재료로 제조되며, 상기 희생층의 상기 잔류 부분들과 상기 더미 전극들 중 적어도 하나는 전기 배선부로서 기능하는 것인 정전형 액츄에이터.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전극과 면하는 상기 진동판의 표면과 상기 전극 상의 절연층을 더 포함하며, 상기 희생층은 폴리실리콘 및 비결정 실리콘 중 하나로 제조되고, 상기 절연층은 실리콘 산화물로 제조되는 것인 정전형 액츄에이터.
  13. 제1항에 있어서, 상기 희생층은 실리콘 산화물로 제조되며, 상기 전극은 폴리실리콘으로 제조되는 것인 정전형 액츄에이터.
  14. 제1항에 있어서, 관통 구멍은 상기 진동판에 형성되어, 상기 에어갭을 형성하도록 상기 관통 구멍을 통해 상기 희생층 부분을 에칭하여 제거하는 것인 정전형 액츄에이터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 관통 구멍은 상기 구획부의 부근에 위치하는 것인 정전형 액츄에이터.
  16. 제1항에 있어서, 상기 진동판은 실질상 직사각형 형태이며, 상기 진동판의 짧은 면은 실질상 15㎛보다 작거나 같은 것인 정전형 액츄에이터.
  17. 제1항에 있어서, 상기 진동판과 면하는 상기 전극의 면과 수직 방향으로 측정된 에어갭의 거리는 실질상 0.2㎛ 내지 2.0㎛인 것인 정전형 액츄에이터.
  18. 제14항에 있어서, 상기 관통 구멍들은 상기 진동판의 짧은 면의 길이보다 작거나 같은 간격으로 상기 진동판의 긴 면을 따라 배치되는 것인 정전형 액츄에이터.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 에어갭을 형성하도록 상기 관통 구멍을 통해 상기 희생층의 부분을 제거하기 위해 진동판에 형성된 관통 구멍;
    상기 전극에 면하는 표면에 대향하는 표면에 형성된 수지막을 더 포함하고,
    상기 관통 구멍은 상기 부재의 상기 수지막에 의해서 밀봉되는 것인 정전형 액츄에이터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 관통 구멍의 단면적은 실질상 0.19㎛2보다 크거나 같고 10㎛2보다 작거나 같은 것인 정전형 액츄에이터.
  21. 제19항에 있어서, 상기 관통 구멍의 개구 외주의 절연층의 두께는 실질상 0.1㎛보다 크거나 같은 것인 정전형 액츄에이터.
  22. 제19항에 있어서, 상기 수지막은 진동판과 접촉하게 되는 물질에 대해서 내부식성을 갖는 것인 정전형 액츄에이터.
  23. 제19항에 있어서, 상기 수지막은 폴리벤자옥사졸막과 폴리이미드막 중 하나로 제조되는 것인 정전형 액츄에이터.
  24. 제14항에 있어서, 상기 진동판의 윗면과 결합된 부재를 더 포함하며, 상기 관통 구멍은 상기 부재의 결합면에 의해서 밀봉되는 것인 정전형 액츄에이터.
  25. 제1항에 있어서, 상기 전극에 면하는 상기 진동판의 표면 위에 형성된 절연층을 더 포함하며, 서로 인접하는 상기 구획부들 사이의 중앙 부근의 상기 절연층의 두께는 상기 구획부들 부근의 상기 절연층의 두께 보다 큰 것인 정전형 액츄에이터.
  26. 제1항에 있어서, 상기 전극 위에 형성된 절연층을 더 포함하며, 서로 인접하는 상기 구획부들 사이의 중앙 부근의 상기 절연층의 두께는 상기 구획부들 부근의 상기 절연층의 두께 보다 큰 것인 정전형 액츄에이터.
  27. 제1항에 있어서, 상기 전극과 상기 기판 사이에는 공동이 형성되며, 상기 전극은 상기 공동을 상기 에어갭에 연통하는 관통 구멍을 갖는 것인 정전형 액츄에이터.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전극의 양 면 위에 절연층을 더 포함하고, 상기 전극과 상기 절연층의 총 두께는 상기 진동판의 두께를 초과하는 것인 정전형 액츄에이터.
  29. 정전형 액츄에이터를 제조하기 위한 방법으로서,
    기판 위에 전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 위에 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판을 형성하는 단계;
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 에어갭을 형성하는 에어갭 형성 단계로서, 에칭 후에 남은 상기 희생층의 잔류 부분이 에어갭을 정의하는 구획부를 형성하도록 상기 에칭에 의해서 상기 에어갭을 형성하는 것인 에어갭 형성 단계를 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 에어갭 형성 단계는 상기 전극과 상기 진동판을 형성한 후 상기 희생층의 부분을 에칭하는 것을 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 희생층을 형성하기 전에 상기 전극 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에어갭 형성 단계는 서로 인접하는 상기 구획부들 사이의 중앙 부근의 상기 절연층의 두께가 상기 구획부 부근의 상기 절연층의 두께 보다 크도록 상기 절연층을 에칭하는 것을 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 희생층을 형성한 후 상기 전극에 면하는 상기 진동판의 표면 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에어갭 형성 단계는 서로 인접하는 상기 구획부들 사이의 중앙 부근의 상기 절연층의 두께가 상기 구획부들 부근의 상기 절연층의 두께보다 크도록 상기 절연층을 에칭하는 것을 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 전극 위에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극에 면하는 상기 진동판의 표면 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 희생층의 에칭은 설폰 헥사플루오라이드(SF6) 또는 제논 디플루오라이드(XeF2)를 이용하는 플라즈마 에칭법 및 테트라-메틸-암모늄-하이드로옥사이드(TMAH)를 이용하는 습식 에칭법 중 하나의 방법에 의해서 수행되는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 희생층의 부분을 제거하기 위해 상기 진동판에 관통 구멍을 형성하는 단계; 및
    상기 관통 구멍을 밀봉하도록 상기 진동판 위에 수지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  35. 제29항에 있어서, 상기 진동판 형성 단계는 150㎛보다 작거나 같은 면을 갖는 직사각형 형태로 상기 진동판을 형성하는 단계를 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  36. 제29항에 있어서, 상기 진동판 형성 단계는 상기 진동판이 휘어지지 않도록 휨 방지막을 형성하는 단계를 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 수지막 형성 단계는 상기 수지막이 형성될 상기 진동판의 표면을 설폰 헥사플루오라이드(SF6) 및 제논 디플루오라이드(XeF2)를 함유하는 플루오르 화합물 기체에 노출시켜 상기 진동판의 표면 조건을 변경하는 단계를 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 수지막 형성 단계는 상기 수지막이 형성될 상기 진동판의 표면을 플라즈마에 노출시켜 상기 진동판의 표면 조건을 변화시키는 단계를 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  39. 제34항에 있어서, 상기 수지막 형성 단계는 상기 진동판과 접촉하게 되는 액체에 대한 내부식성을 갖는 재료로 수지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  40. 제34항에 있어서, 상기 수지막 형성 단계는 상기 수지막을 회전 도포법에 의해 형성하는 것을 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  41. 제29항에 있어서,
    상기 희생층의 부분을 제거하기 위해 상기 진동판에 관통 구멍을 형성하는 단계; 및
    상기 관통 구멍을 밀봉하도록 상기 진동판의 표면에 밀봉 부재를 결합시키는 단계를 더 포함하는 것인 정전형 액츄에이터의 제조 방법.
  42. 액적 분사 헤드로서,
    액체의 액적을 분사하는 노즐;
    상기 노즐과 연결되어 상기 액체를 저장하는 액체 압력실; 및
    상기 액체 압력실에 저장된 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며,
    상기 정전형 액츄에이터는
    기판;
    상기 기판에 형성되는 전극;
    상기 전극에 형성되는 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되며, 상기 전극에 인가된 전압에 의해 생성된 정전력에 의해 변형 가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며,
    상기 구획부는 상기 에칭 후 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 액적 분사 헤드.
  43. 제42항에 있어서, 복수의 관통 구멍이 상기 에어갭을 형성하도록 상기 관통 구멍을 통해 상기 희생층의 부분을 에칭함으로써 제거하기 위해 상기 진동판에 형성되며, 상기 액체 압력실을 형성하는 유로 형성 부재는 상기 진동판의 관통 구멍을 밀봉하는 것인 액적 분사 헤드.
  44. 제42항에 있어서, 상기 관통 구멍은 상기 구획부의 부근에 형성되는 것인 액적 분사 헤드.
  45. 액체 공급 카트리지로서,
    액체의 액적을 분사하는 액적 분사 헤드; 및
    상기 액적 분사 헤드에 상기 액체를 공급하는 상기 액적 분사 헤드와 일체로 형성된 액체 탱크를 포함하고,
    상기 액적 분사 헤드는,
    상기 액체의 액적을 분사하는 노즐;
    상기 노즐과 연결되어 상기 액체를 저장하는 액체 압력실; 및
    상기 액체 압력실에 저장된 상기 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며,
    상기 정전형 액츄에이터는,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 전극;
    상기 구획부 위에 형성되어, 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고,
    상기 구획부는 상기 에칭 후의 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 액체 공급 카트리지.
  46. 잉크젯 기록 장치로서,
    잉크의 액적을 분사하는 잉크젯 헤드; 및
    상기 잉크젯 헤드에 잉크를 공급하기 위해 잉크젯 헤드와 일체로 형성된 잉크 탱크를 포함하고,
    상기 잉크젯 헤드는,
    상기 잉크의 액적을 분사하는 노즐;
    상기 노즐과 연결되어 잉크를 저장하는 액체 압력실; 및
    상기 액체 압력실에 저장된 상기 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며,
    상기 정전형 액츄에이터는,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 전극;
    상기 전극 위에 형성된 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되어, 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고,
    상기 구획부는 상기 에칭 후의 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 잉크젯 기록 장치.
  47. 액체 분사 장치로서,
    액체의 액적을 분사하는 액적 분사 헤드; 및
    상기 액적 분사 헤드에 상기 액체를 공급하기 위해 상기 액적 분사 헤드와 일체로 형성된 액체 탱크를 포함하고,
    상기 액적 분사 헤드는,
    상기 액체의 액적을 분사하는 노즐;
    상기 노즐과 연결되어 상기 액체를 저장하는 액체 압력실; 및
    상기 액체 압력실에 저장된 상기 액체를 가압하는 정전형 액츄에이터를 포함하며,
    상기 정전형 액츄에이터는,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 전극;
    상기 전극 위에 형성된 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되어, 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하고,
    상기 구획부는 상기 에칭 후의 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 액체 분사 장치.
  48. 마이크로 펌프로서,
    액체가 흐르는 유로;
    상기 액체가 상기 유로에서 흐르도록 상기 유로를 변형시키는 정전형 액츄에이터를 포함하고,
    상기 정전형 액츄에이터는,
    기판; 상기 기판 위에 형성된 전극;
    상기 전극 위에 형성된 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되어, 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며,
    상기 구획부는 상기 에칭 후의 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하는 것인 마이크로 펌프.
  49. 광학 장치로서,
    광 반사 미러; 및
    상기 미러를 변형시키는 정전형 액츄에이터를 포함하고,
    상기 정전형 액츄에이터는,
    기판; 상기 기판 위에 형성된 전극;
    상기 전극 위에 형성된 복수의 구획부;
    상기 구획부 위에 형성되어, 상기 전극에 인가된 전압에 의해서 생성된 정전력에 의해 변형가능한 진동판; 및
    상기 전극과 상기 진동판 사이에 형성된 희생층의 부분을 에칭함으로써 상기 복수의 구획부 사이에 형성된 에어갭을 포함하며,
    상기 구획부는 상기 에칭 후의 상기 희생층의 잔류 부분을 포함하고, 상기 미러는 상기 미러가 상기 진동판의 변형에 의해 변형가능하도록 상기 진동판 위에 형성되는 것인 광학 장치.
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