KR20060115386A - 박막을 구비한 프린트 헤드 - Google Patents

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KR20060115386A
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안드레아스 비빌
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디마틱스, 인크.
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Abstract

본 명세서에서는 미세소자 및 이를 형성하기 위한 방법을 개시한다. 실리콘을 포함하는 얇은 막이 실리콘 기판에 실리콘-온-인슐레이터 기판을 접합시킴으로써 형성된다. 실리콘-온-인슐레이터 기판의 핸들층 및 절연층은 제거되어, 막과 바디 사이에 절연 물질의 삽입층이 존재하지 않도록 실리콘 바디에 접합된 얇은 실리콘 막을 형성시킨다. 이후 상기 막에 압전층이 접합된다.
프린트헤드, 프린터, 박막

Description

박막을 구비한 프린트 헤드 {PRINT HEAD WITH THIN MEMBRANE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2003년 10월 10일에 출원된 미국 가출원 제60/510,459호를 근거로 우선권을 주장한다. 상기 출원의 내용은 본 명세서에 참조되어 있다.
본원발명은 프린트 헤드(printhead)의 모듈과 박막을 형성하는 것에 관련되어 있다. 잉크젯 프린터는 통상적으로 잉크 공급부로부터 노즐 경로까지의 잉크 경로를 포함하고 있다. 노즐 경로는 잉크 방울이 분사되는 노즐 개구부에서 종료된다. 잉크 방울의 분사는 액츄에이터(actuator)에 의하여 잉크 경로에 있는 잉크를 가압시킴으로써 이루어지며, 이러한 액츄에이터로는, 예를 들어 압전 전향장치(piezoelectric deflector), 써멀 버블 젯 발생기(thermal bubble jet generator), 또는 정전식으로 편향된 부재 등이 있다. 통상적인 프린트헤드는 잉크 경로의 열과 이에 상응하는 노즐 개구부 및 관련 액츄에이터를 구비하며, 각각의 노즐로부터의 잉크 방울 분사는 독립적으로 제어될 수 있다. 드랍-온-디멘드(drop-on-demand) 프리트헤드에서, 각각의 액츄에이터는 프린트헤드와 인쇄 대상물이 서로에 대해 상대적으로 이동할 때 이미지의 구체적인 픽셀(pixel) 위치에 선택적으로 잉크 방울을 분사하도록 작동 개시된다. 고성능 프린트헤드에서, 노즐 개구부는 통 상적으로 50 미크론 이하의 직경, 예를 들어 약 25 미크론의 직경을 가지며, 100-300 노즐/인치 의 피치로 분리되어 있으며, 100 내지 3000 dpi 이상의 해상도를 가지며, 약 1 내지 70 피코리터(picoliters; pl) 이하의 잉크 방울 크기를 제공한다. 잉크 방울 분사의 주파수는 통상적으로 10kHz 이상이다.
그 전체 내용이 본 명세서에 참조되는 Hoisington 등의 미국 특허 US 5,265,315 호에서는 반도체 프린트헤드 바디 및 압전 액츄에이터를 구비하는 프린트헤드가 개시되어 있다. 프린트헤드 바디는 실리콘으로 제조되며, 잉크 챔버를 형성하도록 식각된다. 노즐 개구부는 별도의 노즐판(nozzle plate)에 의하여 형성되며, 이러한 노즐판은 실리콘 바디에 부착된다. 압전 액츄에이터는 압전물질의 층을 구비하며, 이러한 압전 물질은 가해지는 전압에 따라 형성이 변하거나 굽어지게 된다. 압전층의 굽힘작용은 잉크 경로를 따라 위치하는 펌핑 챔버 내에 있는 잉크를 가압하게 된다.
주어진 전압에 대하여 압전 물질이 나타내는 굽힘의 양은 물질의 두께에 반비례한다. 결과적으로, 압전물질 층의 두께가 증가할수록, 요구되는 전압도 증가하게 된다. 주어진 잉크방울 크기에 대해 요구되는 전압을 제한하기 위해서는 압전물질의 편향 벽 영역이 증가하게 된다. 넓은 압전벽 영역은 이에 상응하게 넓은 펌핌 챔버를 필요로 하게 되는데, 이는 높은 해상도의 인쇄를 위한 작은 오리피스(orifice) 공간의 유지와 같은 설계측면상의 복잡함을 야기하게 된다.
인쇄 정밀도는 프린트헤드 및 프린터에 있는 다수의 헤드 중의 노즐에 의해 분사되는 잉크 방울의 균일성, 속도, 및 크기와 같은 여러가지 요소에 의해 영향을 받는다. 잉크 방울의 크기 및 속도 균일성은, 계속 해서, 잉크 경로의 치수적인 균일성, 음향 간섭 효과, 잉크 유동 경로의 오염도, 및 액츄에이터의 작용 균일성 등과 같은 요소에 의해서 영향을 받는다.
일반적으로, 일 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 미세소자(micorfabricated device)를 형성하는 방법에 있다. 이러한 방법은 하나 이상의 식각된 형상을 형성하도록, 기판의 상부 표면을 식각하는 단계를 포함한다. 챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판이 접합된다. 상기 다층 기판은 실리콘 층과 핸들층을 포함한다. 상기 접합은 상기 실리콘 층과 상기 기판의 상부 표면 간에 실리콘 대 실리콘(silicon-to-silicon) 접합을 형성한다. 핸들층은, 상기 챔버 위에 실리콘 층의 포함하는 막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 제거된다.
본원발명의 실시예들은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 다층 기판은 실리콘-온-인슐레이터 기판일 수 있으며 산화층을 포함할 수 있다. 산화층은 막을 형성하도록 식각 방식 등에 의하여 제거될 수 있다. 상기 막 상에 전도층을 형성될 수 있다. 상기 막에 압전층이 접합될 수 있다. 다층 기판의 실리콘을 상기 기판의 상부 표면의 실리콘에 용해 접합시킴으로써 상기 기판에 다층 기판을 접합시킬 수 있다. 산화층은 용해 접합 이전에 플루오르화 수소산 식각(hydrofluoric etch)에 의하여 어떠한 실리콘 층으로부터도 제거될 수 있다. 핸들층은 식각이나 연마 등에 의하여 다층 기판으로부터 제거될 수 있다. 핸들 층은 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 막은 15, 10, 5, 또는 1 미크론 이하의 두께를 가질 수 있다. 금속 마스크가 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 금속은 니켈과 크롬을 포함할 수 있다. 식각 단계 이전에 기판의 하부 표면 상에 금속 정지층이 형성될 수 있다. 상기 금속 정지층이 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 및 철로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 프린트헤드를 형성하는 방법에 있다. 이러한 방법은 하나 이상의 식각된 형상을 형성하도록, 기판의 상부 표면을 식각하는 단계를 포함한다. 챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판이 접합된다. 상기 다층 기판은 제1층과 핸들층을 포함한다. 핸들층은, 막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 제거된다. 상기 막에 압전층이 접합된다.
본원발명의 실시예들은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 노즐 층이 기판의 하부 표면에 접합될 수 있으며, 여기서 노즐층은 유체를 분사하기 위하여 하나 이상의 노즐의 적어도 일부를 포함한다. 기판의 상부 표면은 잉크 유동 경로의 적어도 일부를 형성하도록 식각될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 미세소자를 형성하는 방법에 있다. 이러한 방법에 있어서는 제1기판의 하부 표면 상에 금속층을 형성한다. 식각된 형상이 상기 제1기판을 통해 상기 금속층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각한다. 상기 제1기판의 식각 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부로부터 상기 금속층을 제거한다. 상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합한다.
본원발명의 실시예들은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1기판을 식각하는 단계는 상기 제1기판의 강한 반응성 이온 식각 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합시키는 단계는 제1실리콘 표면을 제2실리콘 표면에 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상들이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판을 접합될 수 있으며, 상기 다층 기판은 제1층과 핸들층을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 챔버를 덮는 막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거할 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 미세소자를 형성하는 방법에 있다. 이러한 방법에 있어서는 제1기판의 하부 표면에 하나 이상의 요부를 식각한다. 상기 하부 표면의 식각 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부 표면 상에 희생층(sacrificial layer)을 형성한다. 식각된 형상이 상기 제1 실리콘 기판을 통해 상기 희생층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각한다. 상기 제1기판의 하부로부터 상기 희생층을 제거한다.
또 다른 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 프린트헤드를 형성하는 방법에 있다. 이러한 방법에 있어서는, 식각된 형상이 상기 제1 실리콘 기판을 통해 상기 상기 제1기판의 하부 표면 상의 층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각한다. 상부 표면으로부터 제1기판을 식각하는 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합한다. 상기 하부 표면에 층을 결합하는 단계 이후에, 노즐 형상이 상기 식각된 형상에 연결되도록, 상기 층에 노즐 형상을 형성한다.
본원 발명의 일 측면에 있어서, 본원발명의 특징은 미세소자에 있다. 이러한 미세소자는 바디(body), 막(membrane), 및 압전 구조체를 포함한다. 바디는 다수의 요부를 갖으며, 제1물질로 이루어진다. 막은 15 미크론 이하의 두께를 갖으며, 제1물질로 이루어진다. 상기 막은 상기 바디에 접합되어 상기 바디 내의 요부가 적어도 부분적으로 상기 막에 의하여 덮히며 상기 막과 바디 사이의 계면에 상기 제1물질 이외의 물질이 실질적으로 존재하지 않게 된다. 상기 압전 구조체는 상기 막 상에 형성되며, 제1전도층 및 압전 물질을 구비한다.
이러한 미세소자는 하나 이상의 경로를 제공하는 요부를 포함할 수 있으며, 각각의 경로는 바디의 외부와 연통되는 유입구 및 배출구를 구비한다. 상기 경로는 깊이가 변하는 영역을 포함할 수 있다. 각각의 경로의 배출구는 노즐일 수 있다. 상기 노즐은 상기 막으로부터 상기 바디의 반대편 상에 위치할 수 있다. 상기 막의 두께 변화는 1 미크론 이하일 수 있다. 제1물질은 실리콘일 수 있다. 상기 막에는 실질적으로 개구부가 없을 수 있다. 상기 요부는 상기 막에 인접하는 펌핑 챔버를 포함할 수 있다. 상기 막은 10, 5, 또는 1 미크론보다 두께가 얇을 수 있다. 상기 막은 산화물과 같은 제2물질을 포함할 수 있다. 상기 압전 구조체는 제2전도층을 포함할 수 있다. 상기 압전 물질은 제1 및 제2 전도층 사이에 위치할 수 있다.
본원발명의 잠재적인 이점은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다. 노즐, 필터, 잉크 공급부와 같이 모듈 기판에 있는 식각된 형상은 금속 식각 정지부를 사용하여 형성될 수 있다. 프리트헤드의 식각된 형상을 제조하기 위하여 실리콘 기판 상에 금속 식각 정지부를 형성하는 것은 식각과정 동안에 전하가 축적되는 것을 감소시킬 수 있다. 전하의 비축적은 실리콘-온-인슐레이터 기판에 있는 산화층이 식각 정지층으로서 사용된다면 발생될 수 있는 언더컷(undercut) 현상을 감소시킬 수 있다. 식각 과정은 기판 내에 결함을 야기하는 강한 열의 발생을 야기시킬 수도 있다. 그러나 금속 식각 정지부를 사용함으로써 향상된 열 발산 능력을 제공할 수 있는데, 이는 금속이 산화물에 비해 더 큰 열 전도성을 가지기 때문이다. 실리콘 기판이 꿰뚫어져 식긱되는 식각 공정의 마지막에서, 금속층은 기판의 반대편으로부터 냉각제가 누설되는 것을 막을 수 있다. 금속은, 포토레지스트를 도포하여 패턴닝(patterning)하고 기판을 식각하는 것을 여러번 반복해야될 필요성을 없애도록, 식각 마스크로서도 사용될 수 있다. 액츄에이터 막과 같은 액츄에이터는 대체로 모듈 기판의 상부면 상에 형성되거나 접합된다. 실리콘 기판이 모듈 기판 상에 접합될 수 있으며, 이후 액츄에이터 막을 형성하도록 소정의 두께로 연마될 수 있다. 대안적으로, 액츄에이터 막은 실리콘-온-인슐레이터 기판을 모듈 기판 상에 접합시킴으로써 형성될 수도 있다. 모듈 기판 상에 소정 두께의 실리콘 설비층(device layer)을 갖는 실리콘-온-인슐레이터 기판을 접합함으로써 통상적인 연마 기술을 사용할 때보다 더 얇은 막을 형성할 수 있다. 실리콘-온-인슐레이터 기판의 실리콘 층은 각각의 기판 내에서 매우 균일할 수 있어서, 실리콘-온-인슐레이터 기판으로 형성된 프린트헤드의 액츄에이터 막도 매우 균일할 수 있게 된다. 얇은 막은 동일한 잉크 방울 크기를 형성하기 위한 전압을 두꺼운 막에서보다 덜 필요로 하기 때문에 유리하다. 압전 액츄에이터의 편향되는 벽 영역 및 펌핑 챔버의 크기도 더 얇은 막이 형성될 때 감소될 수 있다. 더 높은 해상도의 프린터의 제조를 가능하게 하는 더 작은 오리피스 공간도 가능하다. 프린터헤드에 걸친 막의 두께 균일성의 막을 연마하는 단계가 모듈 기판 상에 실리콘-온-인슐레이터 기판을 접합시키는 단계로 대체될 때 향상될 수 있다.
본원발명의 여러 실시예들의 상세한 설명이 이하의 명세서에서 첨부된 도면과 함께 기술될 것이다. 본원발명의 여타 특징, 목적, 및 장점들은 발명의 상세한 설명, 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 프린트헤드의 사시도를 도시하고 있으며, 도 1A는 도 1의 A 영역의 확대도를 도시하고 있다.
도 2A, 2B, 및 2C는 프린트헤드 모듈의 사시도를 도시하고 있다.
도 3은 프린트헤드 유닛의 일 실시예에 대한 단면도를 도시하고 있다.
도 4A는 프린트헤드 모듈의 유동경로에 대한 횡단면 조립도를 도시하고, 도 4B는 도 4A의 라인 BB를 따라 모듈의 횡단면 조립도를 도시하고 있다.
도 5는 임피던스 필터부의 평면도를 도시한다.
도 6A 내지 도 6P는 프린트헤드 모듈 바디의 제조공정을 설명하는 횡단면도를 도시한다.
도 7은 압전 액츄에이터 및 모듈의 조립체을 제조공정을 설명하는 순서도를 도시하고 있다.
도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 부재를 나타낸다.
프린트 헤드 구조
도 1을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드(10)는 프린트헤드 유닛(76)을 포함하며, 상기 프린트 헤드 유닛(76)은 이미지가 인쇄되는 종이(14)에 걸치도록, 또는 종이의 일부분에 걸치도록 프레임(86) 상에 고정된다. 이미지는, 프린트헤드(10)와 종이914)가 (화살표의 방향으로) 서로에 대해 이동할 때 유닛(76)으로부터 선택적으로 잉크를 분사함으로써 인쇄될 수 있다. 도 1의 실시예에서는, 3 세트의 프린트헤드 유닛(76)이, 예를 들어 12 인치 이상인 폭에 걸쳐 배치되는 것이 도시되어 있다. 각각의 세트는 다수의, 예를 들어 프린트헤드와 종이 간의 상대적인 이동의 방향을 따라 3개의 프린트헤드 유닛을 포함한다. 이러한 유닛은 선명도와 인쇄 속도를 증가시키기 위하여 노즐 개구부를 오프셋(offset)시키도록 배치된다. 대안적으로, 또는 이에 추가하여, 각각의 세트에 있는 각각의 유닛에는 다른 타입이나 색깔의 잉크가 공급될 수 있다. 이러한 구성은 종이가 프린트헤드를 한번만 지나가면서 종이의 전체 폴에 걸쳐 칼라 인쇄를 하는데 사용될 수 있다.
도 2A, 2B, 및 3을 참조하면, 각각의 프린트헤드 유닛(76)은 잉크 방울(droplet)을 제어가능하게 분사할 수 있는 프린트헤드 모듈(12)을 포함한다. 프린트헤드 모듈(12)은 면판(faceplate; 82)(도 1A 참조) 상에 위치하고 있어서 모듈(12)의 노즐은 면판(82)에 있는 구멍(51)(도 3 참조)을 통하여 노출된다. 잉크의 분사를 제어하는 구동 신호를 전달하기 위하여 가요성 회로(도시되지 않음)가 모듈의 후면에 고정된다. 특히, 도 1 및 도 3을 참조하면, 면판(82)과 모듈(12)는 하우징(88) 내에 둘러싸여 있으며, 잉크를 모듈(12)로 전달하기 위한 잉크 공급 경로를 포함하는 매니폴드 어셈블리(manifold assembly)에 부착되어 있다.
다시 도 2A를 참조하면, 모듈(12)은 대체로 정사각형 입방체이다. 일 실시예d에서, 모듈(12)의 길이는 약 30 내지 70mm 이며, 폭은 4 내지 12mm 이며, 두께는 400 내지 1000 미크론이다. 모듈의 치수는, 예를 들어, 후술되는 바와 같이 유동 경로가 식각된 반도체 기판 내에서 변할 수 있다. 예를 들어, 모듈의 폭 및 길이는 10 cm 또는 그 이상일 수 있다.
이러한 모듈(12)은 모듈 기판(25) 및 압전 작동기 구조체(100)를 포함한다. 모듈 기판의 정면(20)은 잉크 방울이 분사되는 노즐(65)의 열(array)을 포함하며, 기판(25)의 후면(16)은 압전 작동기 구조체(100)에 고정된다.
도 2A, 2C, 및 4A를 참조하면, 기판은 잉크를 유입구(30)로부터 노즐로 운반하기 위하여 다수의 유동 경로(55)를 포함한다. 구체적으로는, 도 4A에 가장 잘 나타나 있듯이, 각각의 유동 경로는 잉크 유입구(30), 어센더(ascender; 35), 임피던스 필터부(50), 펌핑 챔버(pumping chamber; 45), 및 디센더(descender; 40)에 의해 모듈 기판을 통해 형성되는 통로를 포함한다. 잉크는 유동 경로(55)(도 4A 참조)를 따라 매니폴드 어셈블리로부터 노즐(65)로 유동한다.
도 2B를 참조하면, 각각의 모듈(12)은 가요성 프린트가 부착되는 일련의 구동 접촉부(17)를 그 후면부(16) 상에 구비한다. 각각의 구동 접촉부는 하나의 액 츄에이터(actuator; d1)에 대응되며, 각각의 액츄에이터(21)는 잉크 경로(55)와 연관되어 있어서 각각의 노즐 개구부로부터의 잉크 분사가 개별적으로 제어될 수 있다. 도시된 실시예에서, 모듈은 단일 열로 이루어진 노즐 개구부를 구비한다. 그러나, 모듈에는 다수의 열로 이루어진 노즐 개구부가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 일 열에 있는 개구부는 선명도를 증가시키기 위하여 다른 열에 대해 오프셋(offset)될 수 있다. 대안적으로 또는 이에 부가하여, 다른 열에 있는 노즐에 대응되는 유동 경로(55)에는 다른 색상이나 타입의 잉크(예를 들어, 속 건성 잉크(hot melt), 자외선 경화 잉크(UB curable), 및 수성 잉크)가 제공될 수 있다. 도 2C를 참조하면, 잉크 유동 경로(55)에 대한 노즐(65)의 관계가 도시되어 있다(각각의 잉크 경로는 점선으로 도시되어 있음).
모듈 기판(Module Substrate)
도 3, 4A, 및 4B를 참조하면, 모듈 기판(25)은 실리콘 기판과 같은 모놀리식 반도체(monolithic semiconductor)이다. 실리콘 기판을 통한 통로는 기판을 통해 잉크의 유동 경로를 형성한다. 모듈 기판은 실로콘으로 형성될 수 있다.
모듈(12)은 모듈 중심선의 양 측면 상에 유동 경로를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(25)을 통한 통로는 잉크 유입구(30,30'), 임피던스 필터부(50,50'), 펌핑 챔버(45,45'), 및 노즐(65)을 형성한다. 액츄에이터(21,21')는 펌핑 챔버(45,45') 위에 배치된다. 따라서, 인접하는 노즐을 공급하는 펌핑 챔버(45,45')는 모듈 기판 중심선의 양 측면 상에 번갈아 가며 위치한다. 펌핑 챔버(45,45')는 기판의 후면(15)에 근접하여 위치하며, 노즐(65)은 기판의 정면(10)에 형성된다. 잉크는 매니폴드 유동 경로(24)로부터 공급되어 유입구(30)로 유입되며, 어센더(35)로 상승되어 임피던스 필터부(50)로 향한다. 잉크는 임피던스 필터부(50)를 통해 펌핑 챔버(45)로 유동하며, 여기서 잉크는 액츄에이터(21)에 의해 가업되어 디센더(40)로 향해 노즐 개구부(65)를 빠져나가게 된다. 식각되는 형상은 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
모놀리식 바디(monolithic body)의 두께 균일성, 및 프린트헤드에 있는 다수의 모듈의 모놀리식 바디 사이의 두께 균일성은 높다. 예를 들어, 모놀리식 바디들의 두께 균일성은, 6인치 연마된 실리콘 기판을 가로질러 형성된 모놀리식 바디에 대해, 예를 들어 약 + 1 미크론 이하일 수 있다. 결과적으로, 기판에 식각된 유동 경로 형상의 치수 균일성은 바디 내에서의 두께 변화에 의해 크게 손상되지 않는다. 또한, 노즐 개구부는 별도의 노즐판(nozzle plate)이 없이 모듈 바디 내에 형성된다. 구체적인 실시예에서, 노즐 개구부의 두께는 약 1 내지 200 미크론, 예를 들어 약 30 내지 50 미크론이다. 일 실시예로서, 노즐 개구부는 약 140 미크론의 피치(pitch)를 갖는다. 펌핑 챔버는 약 1 내지 5mm, 예를 들어 1 내지 2 mm 의 길이를 갖으며, 약 0.1 내지 1 mm, 예를 들어 약 0.1 내지 0.5 mm 의 폭과, 약 60 내지 100 미크론의 깊이를 갖는다. 구체적인 실시예에서, 펌핑 챔버는 약 1.8 mm의 길이와, 약 0.21 mm의 폭, 및 약 65 미크론의 깊이를 갖는다.
도 4A, 4B, 및 5를 참조하면, 모듈 기판(25)은 펌핑 챔버(45)의 상류에 위치하는 임피던스 필터부(50)를 포함한다. 임피던스 필터부(50)는 유동 경로에 있는 일련의 돌출부(39)에 의해 형성된다. 임피던스 필터부(50)는 필터링만을 제공하도록, 또는 음향 임피던스 제어만을 제공하도록, 또는 필터링 및 음향 임피던스 제어 모두를 제공하도록 구성될 수 있다. 돌출부의 위치, 크기, 간격, 및 형태는 필터링 및/또는 원하는 음향 임피던스를 제공하도록 선택된다. 상기 필터부는, 필터로서, 미립자나 섬유와 같은 부스러기를 분리하여 이들이 노즐에 도달하지 않고 노즐을 차단하지 않도록 한다. 또한 상기 필터부는, 음향 임피던스 부재로서, 펌핑 챔버(45)로부터 유입구(30)으로 진행해 나가는 압력파를 흡수하여, 모듈 내에 있는 챔버들 간의 음향 혼선(crosstalk)을 감소시키고 작동 주파수를 증가시킨다.
임피던스 필터부(50)에 있는 유동 개구부(37)의 개수는 연속적인 높은 주파수 작동을 위해 펌핑 챔버로 충분한 잉크가 유동할 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 완충기능을 제공하기에 충분히 작은 치수의 단일한 유동 개구부(37)는 잉크 공급을 제한할 수 있다. 이러한 잉크 공급중단을 방지하기 위하여, 다수의 개구부가 제공될 수 있다. 개구부의 개수는 필터부에서의 전체적 유동 저항이 노즐에서의 유동 저항보다 작도록 선택될 수 있다. 또한, 필터링 기능을 제공하기 위하여, 유동 개구부의 지름 또는 가장 작은 단면적 치수가 이와 대응하는 노즐 개구부의 지름(가장 작은 단면적)보다, 예를 들어 60% 이하로 작을 수 있다. 임피던스 필터부(50)의 일 실시예에서, 개구부(37)의 단면적은 노즐 개구부 단면적의 약 60% 이하이며, 필터부에 있는 모든 유동 개구부에 대한 단면적은 노즐 개구부의 단면적보다, 예를 들어 2 또는 3배 이상, 약 10 배 이상 크다. 유동 개구부가 변화되는 지름을 갖는 임피던스 필터부에 있어서, 유동 개구부의 단면적은 유동 개구부가 가 장 작은 단면적을 갖는 지점에서 측정된다. 잉크의 유동을 따라 서로 연결된 유동 경로를 갖는 임피던스 필터부(50)의 경우에 있어서, 단면 치수 및 단면적은 가장 작은 단면적 영역에서 측정된다. 몇몇 실시예에서는, 필터부를 통한 유동 저항을 결정하기 위하여 압력 강하가 사용될 수 있다. 이러한 압력강하는 분출 유동(jetting flow)에서 측정된다. 분출 유동은 잉크 방울(drop) 체적/파이어(fire) 펄스 폭이다. 몇몇 실시예에서는, 분출 유동에서, 임피던스 필터부를 통한 압력 강하가 노즐 유동 경로를 통한 압력 강하보다 작다. 예를 들어, 필터부를 통한 압력 강하는 노즐 유동 경로를 통한 압력 강하의 약 0.1 내지 0.5 배이다.
일 실시예에서, 임피던스 필터부(50)는 3 열의 돌출부를 갖는다. 이러한 실시예에서, 돌출부(39)는 약 25 내지 30 미크론의 지름을 갖으며, 각각의 열에서 돌출부(39)는 약 15 내지 20 미크론 간격으로 분리되어 있으며, 각각의 돌출부 열은 5 내지 20 미크론 간격으로 분리되어 있다. 임피던스 필터부(50)는 잉크 공급 경로로의 음향 반사를 실질적으로 감소시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 필터부(50)는 펌핑 챔버(45)의 임피던스와 실질적으로 매칭(matching)될 수 있다. 대안적으로, 필터링 기능을 강화하기 위하여 챔버보다 더 큰 임피던스를 제공하거나 잉크 유동을 강화하기 위하여 챔버보다 작은 임피던스를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 후자의 경우에, 유동 경로의 어딘가에 보조 임피던스 제어부 또는 유연한 막(compliant membrane)을 활용함으로써 혼선이 감소될 수 있다. 임피던스 필터부(50) 및 펌핑 챔버(45)의 임피던스는 뉴멕시코, 산타 페에있는 Flow Science Inc.의 Flow 3D 와 같은 유체역학 소프트웨어를 사용하여 모델화될 수 있 다.
도 4A에 도시되어 있는 노즐(65)은 오리피스 지름에 상응하는 일정한 지름의 대체로 원통형 경로이다. 노즐 개구부의 상류에 있는 작고 실질적으로 일정한 지름의 이러한 영역은 노즐 개구부의 축에 대한 잉크 방울 궤적의 직선성(straightness)을 증진시킴으로써 인쇄의 정확성을 향상시킨다. 또한, 노즐(65)은 노즐 개구부를 통한 공기의 흡입을 억제하여 높은 주파수 동작에서 잉크 방울의 안정성을 향상시킨다. 특히 이러한 점은 인쇄 개시 전 충전 모드(fill-before-fire mode)에서 작동하는 프린트헤드에 있어서 유리한데, 이러한 모드에서 작동기는 인쇄 개시 전에 펌핑 챔버로 잉크를 유입시키기 위하여 부압(negative pressure)을 발생시킨다. 이러한 부압은 노즐에 있는 잉크의 메니스커스(meniscus)가 노즐 개구부로부터 내부로 빨려들어가게 하기도 한다. 노즐(65)의 두께를 최대 메니스커스 수축보다 두껍게 함으로써, 공기의 흡입이 방지될 수 있다. 대안적으로, 노즐(65)은 일정하거나 가변적인 지름을 가질 수 있다. 예를 들어, 노즐(65)은 디센더 부근의 큰 지름부로부터 노즐 개구부 근방의 작은 지름부로 연장하는 깔대기 또는 원뿔형 형태를 가질 수 있다. 이때 원뿔체의 각도는, 예를 들어 5 내지 30°일 수 있다. 노즐(65)은 또한 큰 지름부로부터 작은 지름부를 향하여 2차 곡선(curvilinear quadratic) 또는 나팔꽃(bell-mouth) 형태를 가질 수도 있다. 또한, 노즐(65)은 노즐 개구부를 향해 지름이 점차 작아지는 다수의 원통형 영역을 포함할 수도 있다. 노즐 개구부를 향해 지름이 점차 감소됨으로써 구동전압을 감소시키는 가속 영역(68)에서의 압력 강하를 감소시키며, 잉크 방울의 크기 범위 및 개 시 속도 능력을 향상시킨다. 서로 다른 지름을 갖는 노즐 유동 경로 부분의 길이는 정확하게 형성될 수 있다.
구체적인 실시예에서, 노즐 개구부의 지름에 대한 노즐(65)의 두께 비율은 통상적으로 약 0.5 이상, 예를 들어 1 내지 4 이거나, 약 1 내지 2 이다. 노즐(65)은 약 50 내지 300 미크론의 최대 단면 및 약 400 내지 800의 길이를 갖는다. 노즐 개구부 및 노즐(65)은 약 5 내지 80 미크론, 예를 들어 약 10 내지 50 미크론의 지름을 갖는다. 노즐(65)은 약 1 내지 200 미크론, 예를 들어 20 내지 50 미크론의 길이를 갖는다. 노즐(65) 길이의 균일성은, 예를 들어 모듈 바디의 노즐 간에 약 + 3% 이하이거나 또는 + 2 미크론 이하이다. 10 pl 잉크 방울을 위해 배치된 유동 경로에 대해서, 디센더는 약 550 미크론의 길이를 갖는다. 노즐(65)로 이어지는 디센더는 작은 폭이 약 85 미크론이며 큰 폭이 약 160 미크론인 달걀 형태의 레이스트랙(racetrack)을 갖는다. 노즐(65)은 약 30 미크론의 길이와 약 23 미크론의 지름을 갖는다.
액츄에이터 (actuator)
도 4A 및 도 4B 를 참조하면, 각각의 액츄에이터(21)를 형성하는 압전 액츄에이터 구조체(100)가 액츄에이터 막(80)(이는 기판(25)의 일부로 고려될 수도 있다), 접지 전극층(110), 압전층(105), 및 구동 전극층(120)을 포함한다. 압전층(105)은 약 50 미크론이하, 예를 들어 약 25 미크론 내지 1 미크론, 또는 약 8 내지 약 18 미크론의 두께를 갖는 압전 물질의 박막이다. 압전층(105)은 높은 밀도, 낮은 보이드(void), 및 높은 압전 상수와 같은 바람직한 특성을 갖는 압전 물질로 구성될 수 있다. 액츄에이터 막은 실리콘으로 형성될 수 있다.
액츄에이터 전극층 (110) 및 (120)은 구리, 금, 텅스텐, 인듐-주석 산화물(ITO), 티타늄, 플래티늄, 또는 금속 화합물과 같은 금속일 수 있다. 전극층의 두께는, 예를 들어 약 2 미크론 이하, 예를 들어 약 0.5 미크론일 수 있다. 구체적인 실시예에서 인듐-주석 산화물(ITO) 는 쇼팅(shorting)을 감소시키기 위해 사용된다. 인듐-주석 산화물(ITO) 물질은 압전 물질에 있는 작은 보이드 및 통로를 채울 수 있으며 쇼팅을 감소시키기에 충분한 저항을 갖는다. 인듐-주석 산화물(ITO)은 비교적 높은 전압에서 구동되는 얇은 압전층에 유리하다. ]
압전층(105)은 그 일 측면 상에 있는 접지 전극층(110)과 함께 액츄에이터 막(80)에 고정된다. 액츄에이터 막(80)은 접지 전극층(110) 및 압전층(105)을 챔버(45)에 있는 잉크로부터 분리시킨다. 액츄에이터 막(80)은 실리콘일 수 있으며, 압전층의 작용이 펌핑 챔버(45) 내에 있는 잉크를 가압하기에 충분한 액츄에이터 막(80)의 굴곡을 일으키도록 선택된 유연성을 갖는다. 액츄에이터 막의 두께 균일성은 모듈에 걸쳐 정확하고 균일한 작용을 제공한다.
일 실시예에서, 압전층(105)은 접착층에 의하여 액츄에이터 막(80)에 부착된다. 다른 실시예에서는, 액츄에이터가 압전층과 펌핑 챔버 사이에 막을 포함하지 않는다. 압전층은 잉크 챔버에 직접 노출될 수 있다. 이러한 경우에, 구동 및 접지 전극은 반대편인 압전층의 후면에 위치하여 잉크 챔버에 노출되지 않는다.
도 2B, 도 4A, 및 도 4B 를 참조하면, 모듈의 중선섬의 양 측면 상에 있는 액츄에이터는 액츄에이터 막(80)까지 연장되는 깊이를 갖는 절단선(18,18')에 의하여 분리된다. 인접한 액츄에이터는 격리 절단부(19)에 의하여 분리된다. (예를 들어 1 미크론의 깊이와 10 미크론의 폭을 갖는) 이러한 격리 절단부는 실리콘 바디 기판(도 4B)까지 연장한다. 격리 절단부(19)는 혼선을 감소시키기 위해 인접한 챔버를 기계적으로 분리시킨다. 필요하다면, 격리 절단부가 실리콘 안으로 더 깊이, 예를 들어 펌핑 챔버의 깊이까지 연장할 수 있다. 액츄에이터의 후면부(16)는 접지 접점(13)도 포함하는데, 이러한 접지 접점들은 분리 절단부(130)에 의하여 액츄에이터 및 구동 접점부(17)로부터 분리되며, 여기서 상기 분리 절단부는 접지 전극층(110)은 건드리지 않은 채 압전층까지 연장된다(도 4A). 상부 표면이 금속화(metalize)되기 전에 형성된 접지 평면 절단부(115)는 모듈의 가장자리에 있는 접지 전극층(110)을 노출시키고, 이로써 금속화된 상부 표면은 접지 접점을 접지 전극층(110)에 연결시킨다.
제조(manufacture)
도 6A 내지 도 6P 를 참조하면, 기판과 압전 액츄에이터를 포함하는 모듈의 제조 공정이 도시된다. 다수의 모듈 기판이 기판 상에 동시에 형성될 수 있다. 설명을 명확하게 하기 위하여, 도 6A 내지 도 6P 는 단일한 모듈의 단일한 유동 경로를 도시한다. 유동 경로의 형상은 식각 과정에 의해 형성될 수 있다.
도 7은 도 6A 내지 도 6P 에 도시된 제조 방법을 설명하는 순서도를 제공한다. 도 6A 를 참조하면, 양면 연마된(double side polished; DSP) 단일 기판 (605), 즉 본질적을 실리콘으로 구성된 기판이 제공된다(단계 705). 기판(605)은 모듈 기판의 어센더, 디센더, 임피던스 필터부, 모듈 공급 경로, 및 펌핑 챔버, 또는 기타 식각된 형상이 형성될 후면(615) 및 정면(610)을 구비한다. DSP 기판(605)은 (도 6B 에 도시된 바와 같이) 양 측면 모두 또는 그 중 하나에 산화층(603)을 구비할 수 있다. 기판은 400 내지 1000 미크론, 예를 들어 약 600 미크론의 두께를 가질 수 있거나 또는 프린트헤드 모듈을 형성하는데 적합한 임의의 두께를 가질 수 있다. DSP 기판(605)은 모듈 기판(25)을 형성하는데 사용된다.
도 6B 를 참조하면, 모듈 유동 경로(55)의 식각된 형상이 기판의 정면을 향해야 한다면, 포토레지스트(625)가 기판(605)의 정면부에 증착된다. 포토레지스트(625)는 패턴화되고, 기판(605)은 잉크 유입부(30)와 같은 유동 경로의 형상을 제공하는 요부(recess; 620)를 형성하도록 식각된다(단계 710). 이후 잔여 포토레지스트(625) 및 산화층(603)이 제거된다. 기판(605)의 뒷면측은 산화층(603)이 제거되는 동안 테이프나 포토레지스트로 보호될 수 있다.
도 6C 에 도시된 바와 같이, 기판의 정면(610)은 금속층(630)을 형성하기 위하여, 예를 들어 니켈, 크롬, 구리, 텅스텐, 또는 철과 같은 금속으로 스퍼터링(sputtering)되거나 진공 증착(vacuum depositing) 등이 됨으로써 금속화된다(단계 715).
도 6D 에 도시된 바와 같이, 실리콘의 후면(615) 상에 포토레지스트 층(623)이 증착된다. 산화층(603) 및 포토레지스트(623)은 유동 경로의 식각된 형상의 적어도 일부의 위치를 한정하기 위하여 패턴화된다. 이후 기판은 도 6E 에 도시된 바와 같이 후면측으로부터 식각된다(단계 720). 다수의 층의 포토레지스트 패터닝(patterning) 및 식각은 다 단계의 형상을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 식각은 채널 (635) 및 (640), 요부 (645) 및 (650)을 형성할 수 있으며, 이들은 공정이 완료되면 어센더(35), 디센더(40), 펌핑 챔버(45), 및 임피던스 필터부(50)을 제공하게 된다.
식각 공정의 일례는 강한 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching)에 의한 등방성의 건식 식각(isotropic dry etching)인데, 이는 실질적으로 수직인 측벽을 구비하는 형성을 형성하도록 선택적으로 실리콘을 식각시키기 위해 플라즈마를 활용한다. 반응성 이온 식각 기술은 Laemor 등에 의한 미국 특허 US 5,501,893 호에 개시된 보쉬 공정(Bosch process)으로 알려져 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조된다. 강한 실리콘 반응성 이온 식각 장비는 캐나다 레드우드 시티의 STS, 텍사스 플라노의 Alcatel, 또는 스위스의 Unaxis 사로부터 구입할 수 있으며, 반응성 이온 식각은 캐나다 산타 바바라의 IMT를 포함한 식각 벤더(vendor)에 의해 실행될 수 있다. 강한 반응성 이온 식각은 실질적으로 일정한 지름으로 깊은 형상을 절단할 수 있어서 사용된다. 식각은 SF6, C4F8 과 같은 가스와 플라즈마를 구비하는 진공챔버에서 실행된다. 식각 과정 동안에 생성되는 열에 의해 기판 상에 결함이 야기될 수 있으므로, 기판의 후면은 냉각된다. 헬륨과 같은 냉각제가 기판을 냉각하는데 사용될 수 있다. 금속층은 냉각제로 열을 효과적으로 전달할 뿐만 아니라, 냉각제가 진공 챔버로 새어들어 진공 상태를 손상시키는 것을 방지한다.
이산화 실리콘과 같은 전기 절연물이 식각된 층에 접촉하게 되면, 전하가 계면에 축적될 수 있어서 실리콘과 절연물의 계면에서 실리콘의 언더컷(undercut)이 발생하게 된다. 이러한 언더컷은 공기를 끌어드리게 되어 잉크의 유동을 방해하게 된다. 금속이 식각 정지층으로서 사용되면, 금속의 전도성으로 인해 실리콘과 금속 사이의 계면에서 전하가 발생하는 것을 방지하게 되며, 이로써 언더커팅(undercutting)의 문제를 방지할 수 있게 된다.
식각 마스크(etch mask)로서 포토레지스트 층을 사용하는 것에 추가하거나 이에 대한 대안으로서, 니크롬의 식각 마스크와 같은 금속의 식각 마스크가 DSP 기판(605)의 정면(610)에 도포될 수 있다. 이러한 실시예에서, 금속층은 포토레지스트 층이 증착되기 전에 스퍼터링이나 진공 증착 등의 방식에 의하여 DSP 기판(605) 상에 형성될 수 있다. 포토레지스트 층이 패턴화되고 이후 금속층이 포토레지스트 층을 마스크로 사용하여 식각 및 패턴화될 수 있다. 이후 기판(605)은 패턴화된 금속층을 마스크로서 사용하여, 예를 들어 상기한 강한 반응성 이온 식각과 같은 식각 과정을 거치게 된다. 포토레지스트 층은 기판 에칭과정 중에 금속층 상에 남겨지거나 또는 기판(605)을 식각하기 전에 벗겨질 수 있다.
비록 대부분의 식각 과정이 선택적이어서 포토레지스트의 식각 속도가 실리콘의 식각 속도보다 느리게 되지만, 매우 강한 식각이 식각 마스크로서 포토레지스트 층만을 사용하여 실행되면 식각과정은 포토레지스트를 꿰뚫어 식각할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 원하는 깊이로 형상이 형성되기에 앞서, 포토레지스트의 도포, 포토레지스트의 패터닝, 및 식각이 여러번 반복될 필요가 있다. 그 러나, 금속은 포토레지스트보다 통상적으로 매우 느리게 식각된다. 결과적으로, 금속층을 식각 마스크로서 사용함으로써, 매우 깊은 형상이 단일한 식각 과정에 의해 식각될 수 있으며, 이로써 비교적 깊고 실질적으로 균일한 단면의 형상을 식각하기 위해 필요한 하나 이상을 공정을 제거할 수 있게 된다.
다음으로,도 6F 에 도시된 바와 같이, 산성 식각(acid etching)과 같은 방식에 의하여, 금속층(630)이 기판의 후면으로부터(또한, 존재한다면, 기판의 정면으로부터) 벗겨진다(단계 725). 모든 형상이 식각된 후에, 모듈 기판(25)의 정면(610)에 실리콘 층이 접합될 수 있다.
도 6G 를 참조하면, 실리콘 대 실리콘 용해 접합, 또는 직접적인 실리콘 접합방식이 식각된 실리콘 기판의 정면(610)을 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator) 기판(653)에 접합시키기 위해 사용된다(단계 730). 실리콘-온-인슐레이터 기판(653)은 실리콘의 설비층 또는 노즐층(655), 산화층(657), 및 핸들(handle) 실리콘 층(659)을 포함하며, 이때 산화층(657)은 노즐층(655)과 핸들층(659) 사이에 샌드위치된다. 실리콘-온-인슐레이터 기판(653)은 DSP 기판의 표면 상에서 산화층(657)을 성장시킨 후 이 산화층(657) 위에 설비층(655)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 특히, 설비층(655)을 형성하기 위하여, 또 다른 DSP 기판이 산화층(657)에 접합된 후 소정의 두께로 깍일 수 있다. 이러한 연마공정은 다단계 공정일 수 있다. 연마공정의 첫 번째 부분은 설비층(655)으로부터 물질을 제거하기 위한 벌크 연마(bulk grind)일 수 있다. 이러한 벌크 연마단계에 뒤이어 두 번째의 미세 연마 단계가 이루어진다. 이후 선택적인 마지막 연마에 의해 표면 조도 를 낮출 수 있다.
두 개의 실리콘 표면 간에 반 데르 발스 결합을 형성시키는 용해 접합(fusion bonding)은 두 개의 평평하고, 미세하게 연마된 순정 실리콘 표면이 두 개의 실리콘 표면 사이에 중간층이 없이 서로 결합될 때 발생한다. 두 개의 부재를 용해 접합을 위해 준비하기 위하여, 모듈 기판(25) 및 실리콘-온-인슐레이터 기판(653)이 모두 리버스 RCA 세정방식(reverse RCA cleaning)과 같은 방식에 의하여 세정된다. 모듈 기판(25) 및 실리콘-온-인슐레이터 기판(653) 상에 있는 모든 산화물은 완충 플루오르화수소산 식각방식 (buffered hydrofluoric acid etch; BOE)에 의하여 제거될 수 있다. 이후 모듈 기판(25) 및 실리콘-온-인슐레이터 기판(653)은 서로 결합되어 약 1050℃ 내지 1100℃ 와 같은 어닐링 온도에서 어닐링된다. 용해 접합의 장점은 모듈 기판(25)과 노즐층(655) 사이에 부가적인 층이 형성되지 않는다는 점이다. 용해 접합 후에, 두 개의 실리콘 층은 하나의 층이 되어 접합이 완료되었을 때 사실상 어떠한 경계도 상기 두 개의 층 사이에 존재하지 않게 된다. 따라서, 접합된 조립체에 있어서는 조립체의 내부에 산화층을 거의 존재하지 않게 된다. 이러한 조립체는 대체로 실리콘으로 형성될 수 있다. 소수성 기판 처리와 같은 용해 접합의 다른 방법이 한 실리콘 층을 다른 실리콘 층에 접합시키기 위하여 사용될 수 있다. 용해 접합 후에, 핸들층(659)의 나머지는, 도 6H 에 도시된 바와 같이, 두께의 일부를 제거하기 위해 연마된다. 핸들층(659)을 완전히 제거하기 위해 식각이 사용된다(단계 735).
도 6I 에 도시된 바와 같이, 저항층(660)이 기판의 정면에 제공되어 저항층 (660)과 산화층(657)이 패턴화된다. 이후 기판은 노즐(665)을 형성하도록 관통 통로를 만들기 위하여, 예를 들어 강한 반응성 이온 식각방식 등에 의하여 식각된다. 저항층과 산화층은 도 6J 에 도시된 바와 같이 기판으로부터 벗겨진다(단계 740).
대안적인 실시예에서는, 노즐을 형성하기 위하여 실리콘-온-인슐레이터 기판 대신에 DSP 기판이 사용될 수 있다. 만약 제2의 DSP 기판이 노즐(665)을 형성하는데 사용된다면, 제2의 DSP 기판은 정면(610)에 접합된다. 이후, 노즐이 제2의 DSP 기판으로 식각된다. 어느 노즐 형성 방법에 의하든, 노즐(665)의 길이는 노즐이 식각되는 실리콘 기판의 두께에 의해 결정된다. 이로써 노즐 유동 경로 길이가 정확하게 형성될 수 있다. 노즐의 형태는 원통형일 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 잉크 유입구(30)와 같은 유동 경로의 일부분이 모듈 기판(25)의 정면으로 개방된다. 이러한 개구부는 노즐(665)과 동시에 식각될 수 있다.
도 6K 에 도시된 바와 같이, 제2의 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)의 얇은 실리콘 층(680)이 액츄에이터 막을 형성하도록 사용될 수 있다. 제2의 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)은 실리콘의 핸들층(695)과 실리콘의 막층(membrane layer; 680) 사이에 샌드위치된 매립 산화층(690)을 구비한다. 단계 (730)과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 제2의 실리콘-온-인슐레이터 기판은 접착제 또는 용해 접합에 의하여 모듈 기판(25)에 접합될 수 있다(단계 745). 일 실시예에서는, 소수성 용해 접합 방식에 의해 모듈 기판(25)의 실리콘을 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)의 실리콘 막층(680)과 접합시킨다.
도 6L을 참조하면, 일단 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)이 모듈 기판(25)에 접합되고 나면, 접합된 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)의 실리콘 핸들층(695)은 연마, 식각, 또는 벌크 식각등의 단계와 이에 뒤이어 나머지 실리콘을 식각함으로써 제거된다(단계 750)(도면에서 점선은 막과 챔버 바디가 융합되는 지점을 나타낸다). 핸들층(695)이 식각된다면, 실리콘-온-인슐레이터 기판의 산화층(690)은 식각 정지층으로서의 역할을 한다. 실리콘-온-인슐레이터 기판으로부터 잔류하는 산화층(690)은 전극을 부유시키도록 유지되거나, SF6 및 O2 의 반응성 이온 식각과 같은 방식에 의해 제거된다. 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)으로부터 잔류하는 막층(680)은 약 1 미크론 이하의 임의의 두께일 수 있다. 실리콘-온-인슐레이터 층 상에 있는 실리콘층(680)은 기판에 걸쳐 균일한 경향이 있으며, 따라서 실리콘-온-인슐레이터 기판을 챔버 바디에 접합시킴으로써 형성된 액츄에이터 막 내에서의 두께 균일성은 매우 높게 된다. 만약 포토레지스트 층이, 산화층(690)과 막층(680)의 사이나 막층(680)과 실리콘 핸들층(695) 사이와 같이, 실리콘-온-인슐레이터 기판 내에 포함되어 있다면, 실리콘 핸들층(695)은 식각 및 연마와 함께 또는 이에 대신하여 리프트-오프(lift-off) 방법에 사용된 것과 같이 포토레지스트를 제거하는 기술에 의하여 제거될 수 있다. 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)의 잔류층 또는 잔류층들은, 이후 금속층(700)을 형성하도록, 진공 증착과 같은 방식에 의하여 금속화된다(단계 755).
실리콘-온-인슐레이터 기판(685)을 모듈 기판(25)에 용해 접합시키는 방식에 대한 대안은 두꺼운 실리콘 시트(sheet)를 모듈 기판에 접합시키고 이 시트를 소정 의 두께로 연마하는 것이다. 그러나, 시트를 연마하거나 연삭(grinding)하는 것은 막의 최소 두께를 제한한다. 일반적으로, 15 미크론 이하의 막은 연마에 의하여 형성될 수 없는데, 이는 이와 같은 막은 연마과정 동안의 기계적 힘을 처리할 수 없기 때문이다. 이와 대조적으로, 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)을 모듈 기판(25)에 용해 접합시키는 방식에서는 매우 얇은 막이 산화층에 형성되어 모듈 기판(25)에 전달될 수 있다. 실리콘-온-인슐레이터 기판(685)은 실리콘의 핸들 기판(695 상에선 산화층(690)을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 실리콘의 설비층(680)이 이후 산화층(690)에 접합된다. 이후 실리콘 설비층(680)이 소정의 두께로 식각되거나 연마될 수 있으므로, 실리콘 핸들층(695)은 실리콘 설비층(680)의 두께가 감소되는 동안 실리콘 설비층(680)을 지지한다. 따라서, 막층(680)은, 예를 들어 15 미크론, 10 미크론, 5 미크론, 또는 1 미크론 이하와 같이 거의 임의의 두께로 형성되어 기판(25)에 부착되며, 이로써 막(80)이 매우 얇게 될 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 막이 약 8 미크론의 두께를 갖는다.
압전 물질(705)이 모듈 기판(25) 상에 압전 액츄에이터 구조체(100)를 형성하도록 선택된다. 압전 물질(705)의 밀도는 약 7.5 g/cm3 이상, 예를 들어 약 8 내지 10 g/cm3 이다. d31 계수는 약 200 이상이다. HIPS 처리된 압전 물질(705)은 일본의 Sumitomo Piezoelectric Materials 의 H5C 및 H5D 로부터 얻을 수 있다. H5C 물질은 약 8.05 g/cm3 의 밀도와 약 210의 d31 계수값을 나타낸다. H5D 물질은 약 8.15 g/cm3 의 밀도와 약 300의 d31 계수값을 나타낸다. 기판은 통상적으로 약 1 cm 의 뒈를 가지면 약 0.2mm 의 주사위 형태로 잘릴 수 있다. 압전 물질(705)은 프레싱, 닥터 블레이딩(doctor blading), 그린 시트(green sheet), 졸 겔(sol gel) 또는 증착 방식과 같은 방식에 의해 형성될 수 있다. 압전 물질(705)의 제조는 압전 세라믹(B. Jaffe, Academic Press Limited, 1971)에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조된다. 고온 프레싱(hot pressing)과 같은 형성방법이 258 - 9 페이지에 기재되어 있다. 높은 밀도, 높은 압전 상수의 물질, 또는 낮은 성능의 물질이 박막층 및 부드럽고 균일한 표면 형태를 제공하기 위해 연마될 수 있다. 펜실베니아의 필라델피아에 있는 TRS Ceramics 로부터 구입할 수 있는 납-마그네슘-니오브산염(PMN)과 같은 단결정 압전 물질이 사용될 수도 있다.
이러한 특성들은 압전 물질을 액츄에이터 막에 접합하기 전에 압전 물질을 연소시키는 방식을 사용함으로써 압전 물질(705) 내에 형성시킬 수 있다. 예를 들어, (지지부 상에서와 대조적으로) 홀로 연소되고 성형되는 압전 물질(705)은 압전 물질(705)을 (가열되거나 가열되지 않은) 주형 내에 넣기 위하여 높은 압력이 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 통상적으로 플로우 에이전트(flow agent)나 접착제와 같은 첨가제가 거의 필요하지 않다. 예를 들어 1200 - 1300℃ 와 같은 높은 온도가 연소 과정에 사용될 수 있어서, 보다 나은 완성과 조직의 성장이 가능하다. 세라믹으로부터 (높은 온도로 인해) PbO 가 손실되는 것을 감소시키는 (예를 들어 납이 풍부한 분위기와 같은) 연소 분위기가 사용될 수 있다. PbO 손실이 나 다른 손상을 갖는 성형된 부분의 외부 표면은 절단되어 폐기될 수 있다. 압전 물질은 열간 정압 성형법(hot isostatic pressing; HIPs)에 의하여 처리될 수도 있으며, 이러한 처리과정 동안 세라믹은 통상적으로 1000 내지 2000 atm 의 높은 압력을 받게 된다. 이와 같은 열간 정압 성형법은 통상적으로 압전 물질 한 블럭이 연소된 후에 실행되며, 밀도를 높이고 보이드를 감소시키며 압전 상수를 증가시키기 위해 사용된다.
압전 물질(705)의 정면은, 예를 들어 스퍼터링과 같은 진공 증착 등의 방식에 의하여 금속층(707)을 형성하도록 금속화된다(단계 760). 증착하기 위한 금속으로는, 구리, 금, 텅스텐, 주석, 인듐-주석-산화물(ITO), 티타늄, 플래티늄, 또는 금속 화합물 등이 있다. 일 실시예에서, 금속층(707)은 티타늄-텅스텐, 금-주석, 및 금의 적층된 층을 포함한다. 이와 유사하게, 금속층(700)도 티타늄-텅스텐과 금의 적층된 층을 포함한다. 압전 물질의 금속화된 표면(707)은 이후 실리콘 막(680) 상에 있는 금속층(700)에 접합된다(단계 765). 이러한 접합은 약 305℃ 및 1000N 의 힘이 가해진 상태에서 형성된 공융 접합(eutectic bond)에 의하여 이루어진다. 이러한 접합은 도 6M 에 도시된 바와 같이 접지 전극(710)을 형성한다. 대안적으로, PZT 층이 에폭시와 같은 접착층을 사용하여 모듈 기판(25)에 접합될 수 있다.
도 6N 에 도시된 바와 같이, 사전 연소된 압전 물질(705)의 얇은 층이 비교적 두꺼운 기판의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다(단계 770). 수평 연마와 같은 정확한 연마 기술에 의해 부드럽고 보이드가 낮은 표면 형태를 갖는, 매우 균 일한 얇은 막을 형성할 수 있다. 수평 연마 방식에서는, 높은 편평도 공차로 가공된 기준 표면을 갖는 회전식 척(chuck) 상에 소재가 장착된다. 소재의 노출된 표면은, 역시 높은 공차로 정렬되어 수평 연마 휠(wheel)과 접촉한다. 압전 기판은 상당한 두께, 예를 들어 0.2 mm 이상의 두께를 가질 수 있으며, 이는 초기 표면 연마를 위해 처리된다. 이러한 연마공정에 의해 0.25 미크로 이하 정도, 예를 들어 약 0.1 미크론 이하의 편평도와 평행성(parallelism) 및 기판에 걸쳐 5 nm Ra 이하의 표면 마무리가 이루어질 수 있다. 이러한 연마공정은 또한 대칭적인 표면 마무리 및 균일한 잔류 응력을 생성하게 된다. 원하는 곳에는 약간 오목하거나 볼록한 표면이 형성될 수 있다. 연마공정 동안에, 노즐 개구부는 잉크 유동 경로가 연마 냉각제에 노출되는 것을 방지하도록 덮혀 있게 된다. 노즐 개구부는 테이프로 덮힐 수 있다.
적당한 정밀 연마 장치는 아리조나주 샨들러에 있는 Cieba Technologies 로부터 구입할 수 있는 도시바 모델 USG-130C 이다. 기판은 거친 휠에 의해 연마된 뒤 미세 휠에 의해 연마된다. 적당한 거친 휠과 미세 휠은 각각 1500 grit 및 2000 grit 합성 다이아몬드 수지 매트릭스(resinoid matrix)를 갖는다. 적당한 연마 휠은 일본은 Adoma 또는 Ashahi Diamond Industrial Corp. 로부터 구입할 수 있다. 소재의 주축은 500 rpm 에서 작동하며, 연마 휠의 주축은 1500 rpm 에서 작동한다. X 축 공급 속도는 거친 휠을 사용하는 초기 200 - 250 미크론에 대해 10 미크론/분 이며, 미세 휠을 사용하는 마지막 50 - 100 미크론에 대해서는 1 미크론/분 이다. 냉각제는 18 mW 의 탈이온화된 물(deionized water)이다. 표면의 형상 은 Metroview 소프트웨어와 함께 Zygo 모델 Newview 5000 간섭계에 의해서 측정될 수 있으며, 이는 코네티컷주 미들필드의 Zygo Corp. 로부터 구입할 수 있다.
모듈 기판(25) 상에 압전 액츄에이터 구조체(100)를 형성하기 위해 사전 연소된 PZT를 접합시키는 방식의 대안으로서, PZT 층은 RF 스퍼터링과 같은 스퍼터링이나 졸 겔 방식을 포함하는(그러나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다) 기타의 층 형성 기술에 의하여 형성될 수 있다. PZT 층은 원하는 PZT 층 두께나 더 두껍게 형성되어 상기한 바와 같이 원하는 두께를 얻도록 연마된다.
도 6O 에 도시된 바와 같이, 접지면(715)은 톱질(sawing)과 같은 방식에 의하여 압전층(705), 접지전극층(710), 및 모듈 기판(25)의 실리콘(680)을 통해 절단되어, 접지 전극층(710)을 노출시키게 된다(단계 775). 이후 기판은 세정된다.
도 6P 를 참조하면, 절단된 압전 물질은, 압전층(705)의 후면 상에 티타늄, 텅스텐, 니켈 및 금, 구리, 니켈 크롬 합금, 또는 기타 적절한 금속의 층을 진공 증착 등을 함으로써 금속화된다(단계 780). 압전 물질 상의 금속층(720)은 접지층(710)에 금속 접촉을 제공하고, 또한 압전층(705)의 액츄에이터 부분의 후면 위에 금속층을 제공한다. 또한, 접지 전극(710)을 상부 금속화층으로부터 분리시켜 금속층(720)이 구동 전극을 형성하도록 하기 위하여, 전극 분리 절단부(730) 상부 금속화부 및 압전층(705)의 일부를 통하여 형성된다. 격리 절단부(718)는, 액츄에이터 구조체(100)를 인접한 챔버에 대한 각각의 액츄에이터(21)로 분리시키기 위하여, 유동 경로 사이에 있는 압전층(705) 내에서 절단된다(단계 785). 이러한 절단부는 직선의 톱 절단부(saw cut)일 수 있다. 이에 부가하여 또는 이에 대한 대안 으로서, 식각에 의해 커프(kerf)가 형성되고 이후 다이싱 톱(dicing saw)을 사용하여 커프 내에 절단부가 형성될 수도 있다. 모듈은 이러한 커프를 따라 손으로 잘려질 수도 있다. 이후 기판은 다시 세정된다.
최종 조립을 위하여, 모듈의 정면은 전면판에 부착되고, 유연성 회로가 모듈의 후면에 부착되어, 이와 같은 구성이 매니폴드 프레임(manifold frame)에 고정되게 된다.
모듈의 정면에는 보호 코팅 및/또는 잉크의 젖음성(wetting)을 강화하거나 감소시키는 코팅이 제공될 수 있다. 이러한 코팅은, 예를 들어 테프론과 같은 중합체 또는 금이나 로듐 같은 금속일 수 있다.
사용 (Use)
프린트헤드 모듈은 어떠한 인쇄 장치에도 사용될 수 있으며, 특히 고속, 고 성능의 인쇄에 사용될 수 있다. 이러한 모듈은 특히, 열로 배열된 다수의 모듈 및/또는 긴 모듈에 의하여, 넓은 대상이 인쇄되는 넓은 형상의 인쇄에 유용하다.
다시 도 4A 및 도 4B를 참조하면, 모듈 기판은 잉크 유동 경로(55)를 형성한다. 이러한 실시예에서 디센더(40)는 상부 및 하부 모듈 기판 표면에 대하여 수직적으로 잉크의 유동이 향하게 한다. 디센더(40)는 비교적 큰 체적을 가지며, 노즐(65)은 비교적 작은 체적을 갖는다. 디센더(40)는 잉크가 펌핑 챔버(45)로부터 노즐(65)로 향하게 하는데, 여기서 잉크는 노즐 개구부로부터 분사되기에 앞서 가속된다. 모듈에 걸친 노즐(65)의 균일성은 잉크 방울 크기 및 잉크 방울의 속도의 균일성을 향상시킨다.
액츄에이터 막(80)은 통상적으로 불활성 물질이며 유연성을 가져서 압전층의 작용은 펌핑 챔버 내에서 잉크를 가압하기에 충분한 액츄에이터 막층의 유연성을 야기하게 된다. 접지 및 구동 전극에 걸쳐 가해지는 전압은 압전층이 휘어지도록 한다. 압전층은 막 상에 힘을 가한다. 잉크는 잉크 공급 경로, 노즐 유동 경로, 및 인쇄 매체 상에 있는 노즐 개구부로 유동하게 된다.
모듈은 오프셋 인쇄 대체를 위한 프린터에 사용될 수 있다. 모듈은 인쇄된 물질 또는 인쇄 대상에 도포되는 광택성의 투명한 코팅을 선택적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다. 프린트헤드와 모듈은 비영상 형성 유체(non-image forming fluid)와 같은 다양한 유체를 분배하거나 증착하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 3차원 형식의 페이스트(paste)가 모델을 형성하도록 선택적으로 증착될 수 있다. 생물학적 샘플이 분석 배열(analysis array) 상에 증착될 수 있다.
본 명세서로부터 명백하듯이, 본 명세서에서 설명된 모든 기술은 본 명세서의 목적을 달성하기 위하여 다른 기술들과 조합될 수 있다. 예를 들어, 상기한 기술 모두는 프린트헤드 특허 출원 번호 제10/189,947 (2002. 7. 3. 출원) 호에 개시된 기술 및 장치와 조합될 수 있으며, 상기 특허의 전체 내용은 본 명세서에 참조된다. 일 실시예에서는, 압전 액츄에이터가 노즐 층이 모듈 기판에 접합되기 전에 모듈 기판에 부착된다. 상기한 방법은 15 미크론 이하의 매우 균일한 막층을 재생산적으로(reproducibly) 형성할 수 있기 때문에, 프린트헤드 이외의 마이크로 전기-기계 장치(microelectricmechanical device)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 매우 균일한 박막은 트랜스듀서(transducer)와 함께 사용될 수 있다. 또 다른 실시예들은 이하의 청구항에 제시되어 있다.
다수의 실시예들이 본 명세서에서 기술되었지만, 본원발명의 기술적 사상 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 점을 주목해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서는, 실리콘 바디에 불순물이 첨가될 수 있다. 따라서, 여타의 실시예들은 이하의 청구항의 범위 내에 있게 된다.

Claims (64)

  1. 미세소자(microfabricated device)를 형성하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 식각된 형상을 형성하도록, 기판의 상부 표면을 식각하는 단계;
    챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판을 접합하는 단계로서, 여기서 상기 다층 기판은 실리콘 층과 핸들층을 포함하고, 상기 접합은 상기 실리콘 층과 상기 기판의 상부 표면 간에 실리콘 대 실리콘(silicon-to-silicon) 접합을 형성하는 접합 단계; 및
    상기 챔버 위에 실리콘 층의 포함하는 막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거하는 단계; 를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다층 기판이 산화층을 포함하는 실리콘-온-인슐레이터 기판인,
    미세소자 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 막을 형성하도록, 상기 실리콘-온-인슐레이터 기판으로부터 상기 산화층을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘-온-인슐레이터 기판으로부터 상기 산화층을 제거하는 단계가 상기 산화층을 식각하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 막 상에 전도층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 막에 압전층을 접합하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상부 표면에 다층 기판을 접합하는 단계가 제1층의 실리콘을 상기 상부 표면의 실리콘에 용해 접합시키는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거하는 단계가 상기 핸들층을 연마하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거하는 단계가 상기 핸들층을 식각하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 막의 두께가 15 미크론 이하인,
    미세소자 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 막의 두께가 10 미크론 이하인,
    미세소자 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 막의 두께가 5 미크론 이하인,
    미세소자 형성 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 막의 두께가 1 미크론 이하인,
    미세소자 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 상부 표면을 식각하는 단계 이전에, 상기 기판의 상부 표면 상에 금속 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속 마스크가 니켈 및 크롬을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 식각 단계 이전에, 상기 기판의 하부 표면 상에 금속 정지층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속 정지층이 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 및 철로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 핸들층이 실리콘을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 다층 기판의 접합 단계 이전에, 상기 기판의 상부 표면으로부터 산화물을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 다층 기판의 접합 단계 이전에, 상기 다층 기판의 실리콘 층으로부터 산화물을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 산화물을 제거하는 단계가 플루오르화 수소산 식각을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  22. 프린트헤드를 형성하는 방법으로서,
    하나 이상의 식각된 형상을 형성하도록, 기판의 상부 표면을 식각하는 단계;
    챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판을 접합하는 단계로서, 여기서 상기 다층 기판은 제1층과 핸들층을 포함하는 접합 단계;
    막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거하는 단계; 및
    상기 막에 압전층을 접합하는 단계; 를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 기판의 하부 표면에 노즐층을 접합하는 단계를 더 포함하고, 상기 노즐층이 유체를 분사하기 위한 하나 이상의 노즐의 적어도 일부를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 기판의 상부 표면을 식각하는 단계가 잉크 유동 경로의 적어도 일부를 형성하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상부 표면을 식각하는 단계가 본질적으로 실리콘으로 구성된 기판을 식각하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  26. 미세소자를 형성하기 위한 방법으로서,
    제1기판의 하부 표면 상에 금속층을 형성하는 단계;
    식각된 형상이 상기 제1기판을 통해 상기 금속층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각하는 단계;
    상기 제1기판의 식각 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부로부터 상기 금속층을 제거하는 단계; 및
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합시키는 단계; 를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1기판을 식각하는 단계가 상기 제1기판의 강한 반응성 이온 식각 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합시키는 단계가 제1실리콘 표면을 제2실리콘 표면에 결합시키는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 제1기판이 양면 연마된 실리콘 기판을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 하나 이상의 형상을 식각하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 하나 이상의 형상을 식각하는 단계가 상기 금속층을 형성하는 단계 이전에 이루어지는,
    미세소자 형성 방법.
  32. 제26항에 있어서,
    하나 이상의 챔버를 형성하기 위하여 상기 상부 표면 상의 식각된 형상들이 덮혀지도록, 상기 기판의 상부 표면에 다층 기판을 접합하는 단계로서, 여기서 상기 다층 기판은 제1층과 핸들층을 포함하는 접합 단계; 및
    상기 하나 이상의 챔버를 덮는 막을 형성하도록, 상기 다층 기판으로부터 핸들층을 제거하는 단계; 를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  33. 미세소자를 형성하기 위한 방법으로서,
    제1기판의 하부 표면에 하나 이상의 요부를 식각하는 단계;
    상기 하부 표면의 식각 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부 표면 상에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계;
    식각된 형상이 상기 제1 실리콘 기판을 통해 상기 희생층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각하는 단계; 및
    상기 제1기판의 하부로부터 상기 희생층을 제거하는 단계; 를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 단계는 금속층을 형성하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 금속층을 형성하는 단계는 니켈, 크롬, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 또는 철 중 하나 이상을 갖는 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 단계는 식각 정지층을 형성하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 제1기판을 식각하는 단계는 강한 반응성 이온 식각을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  38. 제33항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 단계는 상기 제1기판이 상부 표면으로부터 식각될 때 상기 제1기판 내에 언더컷의 형성을 야기하지 않는 물질의 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  39. 제33항에 있어서,
    상기 기판의 상부 표면을 식각하는 단계 이전에, 상기 기판의 상부 표면 상에 금속 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 금속 마스크가 니켈 및 크롬을 포함하는,
    미세소자 형성 방법.
  41. 프린트헤드를 형성하는 방법으로서,
    식각된 형상이 상기 제1기판을 통해 상기 상기 제1기판의 하부 표면 상의 층까지 연장되도록, 상기 제1기판의 상부 표면으로부터 제1기판을 식각하는 단계;
    상부 표면으로부터 제1기판을 식각하는 단계 이후에, 상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합하는 단계; 및
    상기 하부 표면에 층을 결합하는 단계 이후에, 노즐 형상이 상기 식각된 형상에 연결되도록, 상기 층에 노즐 형상을 형성하는 단계; 를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 노즐 형상을 형성하는 단계가 식각 단계를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 제1기판이 실리콘을 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합하는 단계가 양면 연마된 기판을 제1기판에 접합시키는 단계를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합하는 단계가 상기 제1기판에 다층 기판을 접합시키는 단계를 포함하고, 상기 다층 기판이 실리콘 층을 구비하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합하는 단계가 용해 접합 단계를 포함하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  47. 제43항에 있어서,
    상기 제1기판의 하부 표면에 층을 결합하는 단계가 상기 제1기판에 실리콘-온-인슐레이터 기판을 접합시키는 단계를 포함하고, 상기 실리콘-온-인슐레이터 기판이 실리콘 층, 산화층, 및 핸들층을 구비하는,
    프린트헤드 형성 방법.
  48. 제43항에 있어서,
    상기 하부 표면에 층을 결합하는 단계가 실리콘 대 실리콘 접합을 형성하고, 상기 접합에는 실질적으로 산화물이 존재하지 않는,
    프린트헤드 형성 방법.
  49. 미세소자로서,
    다수의 요부를 갖는, 제1물질의 바디;
    15 미크론 이하의 두께를 갖는, 제1물질의 막; 및
    상기 막 상에 형성되는 압전 구조체; 를 포함하고,
    상기 막이 상기 바디에 접합되어 상기 바디 내의 요부가 적어도 부분적으로 상기 막에 의하여 덮히며 상기 막과 바디 사이의 계면에 상기 제1물질 이외의 물질이 실질적으로 존재하지 않게 되며,
    상기 압전 구조체가 제1전도층 및 압전 물질을 구비하는,
    미세소자.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 바디 내의 요부가 하나 이상의 경로를 제공하고, 각각의 상기 경로는 상기 바디의 외부와 연통하도록 유입구 및 배출구를 구비하는,
    미세소자.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 하나 이상의 경로가 깊이가 가변적인 영역을 하나 이상 포함하는,
    미세소자.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 각각의 경로의 배출구가 노즐인,
    미세소자.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 막으로부터 상기 바디의 반대편 상에 위치하는,
    미세소자.
  54. 제53항에 있어서,
    상기 막의 두께 변화는 1 미크론 이하인,
    미세소자.
  55. 제54항에 있어서,
    상기 제1물질이 실리콘인,
    미세소자.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 막에 실질적으로 개구부가 없는,
    미세소자.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 요부가 상기 막에 인접한 펌핑 챔버를 포함하는,
    미세소자.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 막의 두께가 10 미크론 이하인,
    미세소자.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 막의 두께가 5 미크론 이하인,
    미세소자.
  60. 제59항에 있어서,
    상기 막의 두께가 1 미크론 이하인,
    미세소자.
  61. 제57항에 있어서,
    상기 막이 제2물질을 포함하는,
    미세소자.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 제2물질이 산화물인,
    미세소자.
  63. 제57항에 있어서,
    상기 압전 구조체가 제2전도층을 포함하는,
    미세소자.
  64. 제63항에 있어서,
    상기 압전 물질이 상기 제1 및 제2전도층 사이에 위치하는,
    미세소자.
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