KR20080066781A - 마이크로 전자기계 시스템 공정에서의 현수형 빔의제조방법 - Google Patents

마이크로 전자기계 시스템 공정에서의 현수형 빔의제조방법 Download PDF

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Abstract

ＭＥＭＳ공정에서 현수형 빔을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
(a) 베이스(base)와 측벽들(sidewalls)을 갖는 피트(pit)를 기판에 에칭하는 단계(etching);
(b) 상기 피트를 채울 수 있도록 상기 기판의 표면에 희생물질(sacrificial material)을 퇴적하는 단계(depositing);
(c) 상기 피트 내의 둘레영역(perimeter region)과 상기 피트를 둘러싸는 기판 표면으로부터 상기 희생물질을 제거하는 단계(removing);
(d) 상기 피트 내의 잔류 희생물질을 역류시켜(reflowing) 상기 잔류 희생물질이 상기 측벽들과 접촉하게 하는 단계;
(e) 상기 기판 표면 및 역류된 희생물질 위에 빔 물질(beam material)을 퇴적하는 단계; 및
(f) 상기 역류된 희생물질을 제거하여 현수형 빔을 형성하는 단계; 를 포함한다.

Description

마이크로 전자기계 시스템 공정에서의 현수형 빔의 제조방법{METHOD OF FABRICATING SUSPENDED BEAM IN A ＭＥＭＳ PROCESS}
본 발명은 잉크젯 프린터 분야에 관한 것으로서, 마이크로 전자기계 시스템(ＭＥＭＳ: micro-electromechanical systems) 기술로 제조된 프린트헤드를 사용하는 잉크젯 프린팅 시스템에 대한 것이다.
관련 특허출원의 교차 참조
본 발명에 관계가 있는 다양한 방법, 시스템 및 장치가 본 출원인 또는 본 발명의 양수인에 의해 출원된 아래의 미국 특허/특허출원에 공개되어 있다.
Figure 112008032635528-PCT00001
Figure 112008032635528-PCT00002
Figure 112008032635528-PCT00003
Figure 112008032635528-PCT00004
이들 특허출원과 특허의 공개내용은 참조에 의해 본 발명에 통합된다.
본 발명은 기포형성액체(bubble forming liquid) 내에서 기체(gas bubble)방울 또는 증기방울(vapor bubble)을 형성함으로써 잉크방울(ink drops)의 분사(ejection)를 필연적으로 수반한다. 이러한 원리는 US3,747,120(Stemme)에 개괄적으로 설명되어 있다. 프린트된 이미지에서 각 화소(pixel)는 하나 또는 그 이상의 잉크 노즐로부터 분사된 잉크방울에서 유래하고 있다. 최근, 잉크젯 프린팅은 무엇보다 비용이 저렴하고 용도가 다양하다는 이유로 인기가 증가해 왔다. 잉크젯 프린팅에 대한 여러 다양한 특징과 기술은 상기 교차 참조된 문헌에 상세히 설명되 어 있다.
잉크 내에 히터부재(heater element)를 완전히 가라앉히면 프린트헤드 효율을 극적으로 향상시킨다. 더 적은 열이 밑에 놓인 웨이퍼 기판(wafer substrate) 쪽으로 분산되기 때문에 입력에너지의 더 많은 양이 잉크를 분사하는 기포를 생성하는데 사용된다.
히터부재를 현수하는데 편리한 방법은 릴리즈에칭(release etch)에 의해 나중에 제거하게 되는 희생 포토레지스트(sacrificial photoresist) 상에 히터부재를 퇴적하는 것이다. 희생물질(SAC)(sacrificial material)은 전극과 인접한 기판 안으로 에칭된 피트(pit)나 트렌치(trench) 안으로 퇴적되어 있다. 하지만, 피트 표면(side)에 마스크(mask)를 정확히 맞추기가 어렵다. 일반적으로, 마스킹된 포토레지스트가 노광되면, 피트 표면과 희생물질 사이에 간격(gap)이 형성된다. 히터물질층(heater material layer)이 퇴적되면, 알려진 것처럼 이 히터물질층이 스트링거(stringer)를 형성하기 위해 이들 간격을 채운다. 히터부재를 형성하는 금속에칭(metal etch)과 희생물질을 최종적으로 제거하기 위한 릴리즈에칭 후 피트 내에 스트링거가 잔류한다. 이 스트링거는 히터를 단락(short circuit)시킬 수 있기 때문에 기포를 생성하는데 도움이 되지 않는다.
트렌치보다 큰 마스크를 제조함으로써, 희생물질이 측벽 위에 퇴적될 것이기에 간격은 형성되지 않는다. 유감스럽게도, 이것은 트렌치의 상단(top) 둘레에 돌 출된 립(raised lip)을 형성한다. 상기 히터물질층이 퇴적될 때, 상기 립의 수직면(vertical surfaces) 또는 경사면(inclined surfaces) 상의 히터물질층이 더 얇다. 금속에칭과 릴리즈에칭 후, 이들 얇은 립 구조(thin lip formations)가 잔류하고 이 국부적으로 얇은 이 부분이 전기저항을 증가시켜 과열점(hotspots)의 원인이 된다. 과열점은 히터의 작동에 영향을 미쳐서 히터 수명을 일반적으로 감소시킨다.
따라서, 본 발명은 ＭＥＭＳ공정(ＭＥＭＳ process)에서 현수형 빔을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
(a) 베이스(base)와 측벽들(sidewalls)을 구비한 피트(pit)를 기판에 에칭하는 단계(etching);
(b) 상기 피트를 채울 수 있도록 상기 기판의 표면에 희생물질(sacrificial material)을 퇴적하는 단계(depositing);
(c) 상기 피트 내의 둘레영역(perimeter region)과 상기 피트를 둘러싸는 기판 표면으로부터 상기 희생물질을 제거하는 단계(removing);
(d) 상기 피트 내의 잔류(remaining) 희생물질을 역류시켜 상기 잔류 희생물질이 상기 측벽들과 접촉하게 하는 단계(reflowing);
(e) 상기 기판 표면 및 역류된 희생물질 위에 빔 물질(beam material)을 퇴적하는 단계; 및
(f) 상기 역류된 희생물질을 제거하여 현수형 빔을 형성하는 단계; 를 포함한다.
바람직하게는, 현수형 빔(suspended beam)은 사실상 평면(planar)이다. 더 바람직한 형태로서, 상기 현수형 빔의 모든 부분은 사실상 동일한 두께를 갖는다.
선택적으로, 상기 현수형 빔은 잉크젯 노즐용 액츄에이터(actuator)이다.
제1관점(aspect)에서, 본 발명은 ＭＥＭＳ공정에서 현수형 빔을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
(a) 베이스와 측벽들을 구비하는 피트를 기판에 에칭하는 단계;
(b) 상기 피트를 채우도록 상기 기판의 표면상에 희생물질을 퇴적하는 단계;
(c) 상기 피트 내의 둘레영역과 상기 피트를 둘러싸는 기판 표면으로부터 상기 희생물질을 제거하는 단계;
(d) 상기 피트 내의 잔류 희생물질을 역류시켜 상기 잔류 희생물질이 상기 측벽들과 접촉하게 하는 단계;
(e) 상기 기판 표면과 역류된 희생물질 위에 빔 물질을 퇴적하는 단계; 및
(f) 상기 역류된 희생물질을 제거하여 현수형 빔을 형성하는 단계; 를 포함한다.
선택적으로, 상기 현수형 빔은 사실상 평면이다.
선택적으로, 상기 현수형 빔의 모든 부분은 사실상 동일한 두께를 갖는다.
선택적으로, 상기 현수형 빔은 잉크젯 노즐용 액츄에이터이다.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 히터부재이다.
선택적으로, 상기 히터부재는 한 쌍의 전극 사이에 현수된다.
선택적으로, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이다.
선택적으로, 상기 실리콘 웨이퍼는 적어도 하나의 표면산화층(surface oxide layer)을 포함한다.
선택적으로, 상기 희생물질은 포토레지스트이다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 현상(development)에 이어 마스크를 통한 노광(exposure)에 의해 제거된다.
선택적으로, 상기 둘레영역은 상기 측벽들 중 적어도 2 개의 측벽에 인접하는 영역(area)을 포함한다.
선택적으로, 상기 둘레영역은 상기 측벽들 전부와 인접하는 영역(area)을 포함한다.
선택적으로, 상기 둘레영역으로부터의 상기 희생물질의 제거는 상기 잔류 희생물질과 상기 측벽들 중 적어도 2 개의 측벽 사이에 1 미크론(micron) 미만의 공간(space)을 형성한다.
선택적으로, 상기 둘레영역으로부터의 상기 희생물질의 제거는 상기 잔류 희생물질과 상기 측벽들 전부 사이에 1 미크론 미만의 공간을 형성한다.
선택적으로, 상기 역류(reflowing)는 상기 희생물질을 가열함으로써 실행된다.
선택적으로, 상기 희생물질은 과도한 역류를 방지하기 위해 빔 물질(beam material)의 퇴적(deposition)에 앞서 처리(treat)된다.
선택적으로, 상기 처리(treatment)는 UV경화(curing)를 포함한다.
선택적으로, 상기 빔 물질은 퇴적 후 예정된 형태(configuration)로 에칭된다.
선택적으로, 상기 빔 물질의 퇴적 후이고 또한 상기 역류된 희생물질의 제거 전에, ＭＥＭＳ공정의 후속 단계(further ＭＥＭＳ process step)가 실행된다.
선택적으로, 상기 ＭＥＭＳ공정의 후속 단계는 상기 현수형 빔을 포함한 잉크젯 노즐을 형성하는 단계를 포함한다.
제2관점에서, 본 발명은 기판상에 복수개의 잉크젯 노즐을 제조하는 방법을 제공하는데, 각(各) 노즐은 상기 기판으로부터 이격된 루프(roof)와 상기 루프로부터 상기 기판을 향해 뻗어 있는 측벽들을 구비한 노즐챔버(nozzle chamber)를 포함하며, 상기 측벽들 중 하나의 측벽은 노즐열(row of nozzles)을 따라 뻗어 있는 잉크도관(ink conduit)으로부터 잉크를 받아들이기 위한 챔버입구(chamber entrance)를 구비하고, 상기 잉크도관은 상기 기판에 형성된 복수(複數)개의 잉크유입구(ink inlets)로부터 잉크를 받아들이며, 상기 방법은,
(a) 상기 잉크유입구에 대응하는 복수개의 트렌치를 구비한 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 트렌치를 채우고 나서 상기 기판상에 골격(scaffold)을 형성하도록 상기 기판상에 희생물질을 퇴적하는 단계;
(c) 상기 희생물질에 개구들(openings)을 형성하는 단계로서, 상기 개구들은 루프물질(roof material)로 채워졌을 때 상기 챔버의 측벽들과 상기 잉크도관을 형성하도록 배치되며;
(d) 상기 희생물질 위로 루프물질을 퇴적하여 상기 노즐챔버와 상기 잉크도관을 동시에 형성하는 단계;
(e) 상기 루프물질을 관통하여 노즐구멍들(nozzle apertures)을 에칭하는 단계로서, 각(各) 노즐챔버가 적어도 하나의 노즐구멍을 구비하며; 그리고
(f) 상기 희생물질을 제거하는 단계; 를 포함한다.
선택적으로, 각 노즐챔버는 상기 노즐구멍을 통해 잉크를 분사하기 위한 액츄에이터를 포함한다.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐챔버의 제조에 앞서 형성된다.
선택적으로, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이다.
선택적으로, 상기 실리콘 웨이퍼는 적어도 하나의 표면산화층을 포함한다.
선택적으로, 상기 희생물질은 포토레지스트이다.
선택적으로, 상기 개구는 현상에 이어서 마스크를 통해 상기 포토레지스트를 노광시킴으로써 형성된다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 상기 루프물질의 퇴적에 앞서 UV경화되며, 이로써 퇴적하는 동안 상기 포토레지스트의 역류를 예방한다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 플라즈마 애싱(plasma ashing)에 의해 제거된다.
또 다른 관점에서, 상기 기판의 반대편 뒷면(backside)으로부터 잉크공급채널들(ink supply channels)을 에칭하는 단계를 더 포함하는 방법이 제공되는데, 상기 잉크공급채널은 상기 잉크유입구와 유체연통(fluid communication)된다.
선택적으로, 각(各) 잉크유입구는 상기 잉크유입구의 각각의 림(rim)으로부터 뻗어 있는 적어도 하나의 액체주입구조(priming feature)를 구비하며, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 액체주입구조에 대응하는 적어도 하나의 개구를 상기 포토레지스트에 형성하는 단계를 더 포함한다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 액체주입구조는 상기 림으로부터 뻗어 있는 루프물질로 된 기둥(column)을 포함한다.
선택적으로, 각(各) 잉크유입구는 상기 잉크유입구의 각각의 림 주위에 배치된 복수개의 액체주입구조를 구비한다.
선택적으로, 상기 복수개의 액체주입구조는 상기 림으로부터 뻗어 있는 주상골조(columnar cage)를 함께 형성한다.
선택적으로, 상기 챔버입구는 적어도 하나의 필터구조(filter structure)를 포함하며, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 액체주입구조에 대응하는 적어도 하나의 개구를 상기 포토레지스트에 형성하는 단계를 더 포함한다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 필터구조는 상기 기판으로부터 상기 루프를 향해 뻗어 있는 루프물질로 된 기둥을 포함한다.
선택적으로, 각 챔버입구는 상기 입구를 가로질러 배치된 복수개의 필터구조를 포함한다.
선택적으로, 각 챔버입구는 상기 입구를 가로질러 배치된 복수개의 필터구조열(rows of filter structures)을 포함한다.
선택적으로, 상기 필터구조열은 파상배치(stagger)된다.
제3관점에서, 기판상에 복수개의 잉크젯 노즐을 제조하는 방법이 제공되는데, 각 노즐은 상기 기판으로부터 이격된 루프와 상기 루프로부터 상기 기판을 향해 뻗어 있는 측벽들을 구비한 노즐챔버를 포함하고, 상기 챔버는 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 잉크유입구로부터 잉크를 받아들이기 위한 입구를 구비하며, 상기 적어도 하나의 잉크유입구는 상기 잉크유입구의 각각의 림으로부터 뻗어 있는 적어도 하나의 액체주입구조를 구비하며, 상기 방법은,
(a) 상기 잉크유입구에 대응하는 복수개의 트렌치를 구비한 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 트렌치를 채우고 나서 상기 기판상에 골격을 형성하도록 상기 기판상에 희생물질을 퇴적하는 단계;
(c) 상기 희생물질에 개구들을 형성하는 단계로서, 상기 개구는 루프물질로 채워졌을 때 상기 챔버의 측벽들과 상기 적어도 하나의 액체주입구조를 형성하도록 배치되며;
(d) 상기 노즐챔버와 상기 적어도 하나의 액체주입구조를 동시에 형성하도록 상기 희생물질 위로 루프물질을 퇴적하는 단계;
(e) 상기 루프물질을 관통하여 노즐구멍을 에칭하는 단계로서, 각 노즐챔버가 적어도 하나의 노즐구멍을 구비하며; 그리고
(f) 상기 희생물질을 제거하는 단계; 를 포함한다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 액체주입구조는 상기 림으로부터 뻗어 있는 루프물질로 된 기둥을 포함한다.
선택적으로, 각 잉크유입구는 상기 잉크유입구의 각각의 림 주위에 배치되는 복수개의 액체주입구조를 구비한다.
선택적으로, 상기 복수개의 액체주입구조는 상기 림으로부터 뻗어 있는 주상골조를 함께 형성한다.
선택적으로, 각 노즐챔버는 상기 노즐구멍을 통해 잉크를 분사하기 위한 액츄에이터를 포함한다.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐챔버의 제조에 앞서 형성된다.
선택적으로, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이다.
선택적으로, 상기 실리콘 웨이퍼는 적어도 하나의 표면산화층을 포함한다.
선택적으로, 상기 희생물질은 포토레지스트이다.
선택적으로, 상기 개구는 현상에 이어서 마스크를 통해 상기 포토레지스트를 노광시킴으로써 형성된다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 상기 루프물질의 퇴적에 앞서 UV경화되며, 이로써 퇴적하는 동안 상기 포토레지스트의 역류를 방지한다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 플라즈마 애싱에 의해 제거된다.
또 다른 관점에서, 상기 기판의 반대편 뒷면(backside)으로부터 잉크공급채널들(ink supply channels)을 에칭하는 단계를 더 포함하는 방법이 제공되는데, 상기 잉크공급채널은 상기 잉크유입구와 유체연통(fluid communication)된다.
선택적으로, 상기 챔버입구는 상기 노즐챔버의 상기 측벽들 중 하나의 측벽에 형성된다.
선택적으로, 상기 챔버입구는 노즐열을 따라 뻗어 있는 잉크도관으로부터 잉크를 받아들이며, 이 때문에 단계 (c)는 상기 희생물질에 여분(further)의 개구들을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 여분의 개구는 루프물질(roof material)로 채워졌을 때 상기 잉크도관을 형성하도록 배치된다.
선택적으로, 상기 잉크도관은 상기 적어도 하나의 잉크유입구로부터 잉크를 받아들인다.
제4관점에서, 본 발명은 기판상에 복수개의 잉크젯 노즐을 제조하는 방법을 제공하는데, 각 노즐은 상기 기판으로부터 이격된 루프와 상기 루프로부터 상기 기판을 향해 뻗어 있는 측벽들을 구비한 노즐챔버를 포함하고, 상기 측벽들 중 하나의 측벽은 상기 기판에 형성된 적어도 하나의 잉크유입구로부터 잉크를 받아들이기 위한 챔버입구를 구비하며, 상기 챔버입구는 적어도 하나의 필터구조를 포함하고, 상기 방법은,
(a) 상기 잉크유입구에 대응하는 복수개의 트렌치를 구비한 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 트렌치를 채우고 나서 상기 기판상에 골격을 형성하도록 상기 기판상에 희생물질을 퇴적하는 단계;
(c) 상기 희생물질에 개구들을 형성하는 단계로서, 상기 개구는 루프물질로 채워졌을 때 상기 챔버의 측벽들과 상기 적어도 하나의 필터구조를 형성하도록 배치되며;
(d) 상기 노즐챔버들과 상기 적어도 하나의 필터구조를 동시에 형성하도록 상기 희생물질 위로 루프물질을 퇴적하는 단계;
(e) 상기 루프물질을 관통하여 노즐구멍들을 에칭하는 단계로서, 각 노즐챔버가 적어도 하나의 노즐구멍을 구비하며; 그리고
(f) 상기 희생물질을 제거하는 단계; 를 포함한다.
선택적으로, 상기 필터구조는 상기 기판으로부터 상기 루프를 향해 뻗어 있는 루프물질로 된 기둥을 포함한다.
선택적으로, 각 챔버입구는 상기 입구를 가로질러 배치된 복수개의 필터구조를 포함한다.
선택적으로, 각 챔버입구는 상기 입구를 가로질러 배치된 복수개의 필터구조열(rows of filter structures)을 포함한다.
선택적으로, 상기 필터구조열은 파상배치(stagger)된다.
선택적으로, 각 노즐챔버는 상기 노즐구멍을 통해 잉크를 분사하기 위한 액츄에이터를 포함한다.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐챔버의 제조에 앞서 형성된다.
선택적으로, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이다.
선택적으로, 상기 실리콘 웨이퍼는 적어도 하나의 표면산화층을 포함한다.
선택적으로, 상기 희생물질은 포토레지스트이다.
선택적으로, 상기 개구는 현상에 이어서 마스크를 통해 상기 포토레지스트를 노광시킴으로써 형성된다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 상기 루프물질의 퇴적에 앞서 UV경화되며, 이로써 퇴적하는 동안 상기 포토레지스트의 역류를 방지한다.
선택적으로, 상기 포토레지스트는 플라즈마 애싱에 의해 제거된다.
또 다른 관점에서, 상기 기판의 반대편 뒷면으로부터 잉크공급채널들을 에칭하는 단계를 더 포함하는 방법이 제공되는데, 상기 잉크공급채널은 상기 잉크유입구와 유체연통된다.
선택적으로, 상기 챔버입구는 노즐열을 따라 뻗어 있는 잉크도관으로부터 잉크를 받아들이며, 이 때문에 단계 (c)는 상기 희생물질에 여분의 개구들을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 여분의 개구는 루프물질로 채워졌을 때 상기 잉크도관을 형성하도록 배치된다.
선택적으로, 상기 잉크도관은 상기 적어도 하나의 잉크유입구로부터 잉크를 받아들인다.
제5관점에서, 본 발명은 잉크젯 프린트헤드(inkjet printhead)용의 낮은 정지마찰 노즐플레이트(low-stiction nozzle plate)를 형성하는 방법을 제공하는데, 상기 노즐플레이트는 노즐플레이트에 형성된 복수개의 노즐구멍을 구비하며, 각 노즐구멍은 각 노즐림(nozzle rim)을 구비하며, 상기 방법은,
(a) 루프물질로 밀폐된 복수개의 잉크젯 노즐 조립체(assembly)를 포함하는 부분적으로 제조된 프린트헤드(partially-fabricated printhead)를 제공하는 단계;
(b) 상기 노즐림들과 복수개의 정지마찰 저감형 구조들(stiction-reducing formations)를 동시에 형성하기 위해 상기 루프물질 내에 부분적으로 에칭하는 단계; 그리고
(c) 상기 노즐구멍들을 형성하기 위해 상기 루프물질을 관통하여 에칭하며, 이로써 상기 노즐플레이트를 형성하는 단계; 를 포함한다.
선택적으로, 각 노즐림은 각(各) 노즐구멍의 둘레 주위에 적어도 하나의 돌출부(projection)를 포함한다.
선택적으로, 각 노즐림은 각 노즐구멍의 둘레 주위에 복수개의 동축형 돌출부(coaxial projection)를 포함한다.
선택적으로, 적어도 하나의 림 돌출부는 상기 노즐플레이트로부터 적어도 1 미크론 돌출한다.
선택적으로, 각(各) 정지마찰 저감형 구조는 상기 노즐플레이트 상에 주상돌출부(columnar projection)를 포함한다.
선택적으로, 각(各) 주상돌출부는 상기 노즐플레이트로부터 적어도 1 미크론 돌출한다.
선택적으로, 각 주상돌출부는 인접한 주상돌출부로부터 2 미크론 미만으로 이격된다.
선택적으로, 각 정지마찰 저감형 구조는 상기 노즐플레이트 상에 긴 돌출벽(elongate wall projection)을 포함한다.
선택적으로, 각(各) 돌출벽은 상기 노즐플레이트로부터 적어도 1 미크론 돌출한다.
선택적으로, 상기 돌출벽은 상기 노즐플레이트 상에 잉크 간 색혼합(color-mixing of inks)을 최소화하기 위해 배치된다.
선택적으로, 상기 돌출벽은 노즐열에 평행하게 상기 노즐플레이트를 따라 뻗어 있고, 같은 열(row)에 있는 각 노즐은 동일한 컬러잉크를 분사한다.
선택적으로, 상기 노즐림들과 상기 정지마찰 저감형 구조들의 위치는 사진식각 마스킹(photolithographic masking)에 의해 형성된다.
선택적으로, 상기 노즐플레이트의 표면영역의 적어도 절반은 정지마찰 저감형 구조들로 덮인다.
선택적으로, 상기 잉크젯 노즐 조립체는 실리콘 기판상에 형성되며 상기 노즐플레이트는 상기 기판으로부터 이격된다.
선택적으로, 상기 노즐플레이트는 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride) 또는 알루미늄 질화물(aluminium nitride)로 구성된다.
선택적으로, 상기 노즐 조립체들은 CVD 또는 PECVD 퇴적에 의해 상기 루프물질로 밀폐된다.
선택적으로, 상기 루프물질은 희생 골격(sacrificial scaffold) 상에 퇴적된다.
선택적으로, 각(各) 잉크젯 노즐 조립체는 잉크분사를 위해 상기 잉크젯 노즐 조립체에 결합되는 적어도 하나의 노즐구멍을 구비한다.
선택적으로, 상기 노즐플레이트는 소수성 물질(hydrophobizing material)로 나중에 처리된다.
본 발명에 따른 프린트헤드는 복수개의 노즐을 포함하며, 또한 챔버와 각 노즐에 대응하는 하나 또는 그 이상의 히터부재를 포함한다. 상기 프린트헤드의 최소 반복 유닛들(smallest repeating units)은 하나 또는 그 이상의 챔버에 잉크를 공급하는 잉크공급유입구(ink supply inlet)를 구비할 것이다. 전체 노즐배열(entire nozzle array)은 이들 개개의 유닛을 반복함으로써 형성된다. 이와 같은 개개의 유닛이 여기서는 "유닛셀(unit cell)"로 불린다.
또한, "잉크"라는 용어는 모든 분사가능한 액체를 의미하기 위해 사용되므로, 컬러염료(colored dyes)를 포함하는 종래 잉크에 한정되지는 않는다. 무색 잉크(non-colored inks)의 예로서는 정착액(fixatives), 적외선 흡수 잉크(infrared absorber inks), 기능성 화학물질(functionalized chemicals), 점착제(adhesives), 생물학적 유체(biological fluids), 의약(medicaments), 물과 다른 용매(solvents) 등등이 포함된다. 또한 잉크나 분사가능한 액체도 엄밀히 말해 액체일 필요는 없으므로, 고체입자의 현탁액을 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 구성들이 첨부도면을 참조하여 단지 예로서 지금부터 설명될 것이다. 그 중,
도 1은 본 발명의 프린트헤드에 형성된 ＭＥＭＳ 노즐열의 부분적으로 제조된 유닛셀을 나타낸 것으로서, 도 3의 A-A를 따라 절단된 유닛셀을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 상기 부분적으로 제조된 유닛셀의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3은 히터부재 트렌치의 에칭에 관련된 마크(mark)를 나타낸 것이다.
도 4는 트렌치의 에칭 후 유닛셀의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 6은 도 7에 도시된 희생 포토레지스트(sacrificial photoresist)의 퇴적에 관련된 마스크이다.
도 7은 희생 포토레지스트 트렌치 퇴적 후의 유닛셀을 나타낸 것으로서, 희생물질의 가장자리(edge)와 트렌치 측벽들 사이의 간격을 부분 확대하여 나타낸 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 9는 트렌치의 측벽들을 따라 간격을 메울 수 있도록 희생 포토레지스트를 역류시킨 후의 유닛셀을 나타낸 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 상기 유닛셀의 사시도이다.
도 11은 히터물질층의 퇴적을 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 상기 유닛셀의 사시도이다.
도 13은 도 14에 나타낸 히터물질의 금속에칭에 관련된 마스크이다.
도 14는 히터 액츄에이터를 형성하기 위한 금속에칭을 나타내는 단면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 상기 유닛셀의 사시도이다.
도 16은 도 17에 나타낸 에칭에 관련된 마스크이다.
도 17은 포토레지스트층의 퇴적 및 그 후에 행해지는 CMOS 드라이브층 상단의 패시베이션층(passivation layer)에 대한 잉크유입구의 에칭을 나타낸 것이다.
도 18은 도 17에 도시된 상기 유닛셀의 사시도이다.
도 19는 상기 패시베이션층과 CMOS층을 통해 그 밑에 놓인 실리콘 웨이퍼까지의 산화에칭(oxide etch)을 나타낸 것이다.
도 20은 도 19에 도시된 상기 유닛셀의 사시도이다.
도 21은 상기 실리콘 웨이퍼 안으로의 잉크유입구의 깊은 이방성 에칭(deep anisotropic etch)을 나타낸 것이다.
도 22는 도 21에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 23은 도 24에 나타낸 포토레지스트 에칭에 관련된 마스크이다.
도 24는 챔버 루프용 및 측벽용 개구를 형성하기 위한 포토레지스트 에칭을 나타낸 것이다.
도 25는 도 24에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 26은 측벽과 위험물질(risk material)의 퇴적을 나타낸 것이다.
도 27은 도 26에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 28은 도 29에 나타낸 노즐림 에칭에 관련된 마스크이다.
도 29는 노즐구멍림(nozzle aperture rim)을 형성하기 위한 루프층의 에칭을 나타낸 것이다.
도 30은 도 29에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 31은 도 32에 나타낸 노즐구멍 에칭에 관련된 마스크이다.
도 32는 타원 노즐구멍들을 형성하기 위한 루프물질의 에칭을 나타낸 것이다.
도 33은 도 32에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 34는 제1희생층과 제2희생층의 산소 플라즈마 릴리즈에칭(oxygen plasma release etch)을 나타낸 것이다.
도 35는 도 34에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 36은 웨이퍼의 반대쪽 면도 릴리즈 에칭한 후의 유닛셀을 나타낸 것이다.
도 37은 도 36에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 38은 도 39에 나타낸 뒷면 에칭(reverse etch)에 관련된 마스크이다.
도 39는 웨이퍼 안으로의 잉크공급채널의 뒷면 에칭을 나타낸 것이다.
도 40은 도 39에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 41은 뒷면 에칭(backside etching)에 의한 웨이퍼의 얇아짐(thinning)을 나타낸 것이다.
도 42는 도 41에 도시된 유닛셀의 사시도이다.
도 43은 본 발명의 프린트헤드에 형성된 노즐열의 부분 사시도이다.
도 44는 유닛셀의 평면도를 나타낸 것이다.
도 45는 도 44에 도시된 유닛셀의 사시도를 나타낸 것이다.
도 46은 루프층이 제거된 두 유닛셀의 개략적인 평면도로서 일부 루프층의 구조가 윤곽선으로만 도시된 것이다.
도 47은 루프층이 제거된 두 유닛셀의 개략적인 평면도로서 노즐개구가 윤곽선으로만 도시된 것이다.
도 48은 챔버의 측벽에 잉크유입구멍을 가진 유닛셀의 개략적인 부분 평면도이다.
도 49는 루프층이 제거된 유닛셀의 개략적인 평면도로서 노즐개구가 윤곽선으로만 도시된 것이다.
도 50은 정지마찰 저감형 구조와 지분(paper dust)입자로 덮인 노즐플레이트의 부분 평면도이다.
도 51은 잔류잉크홈(residual ink gutter)을 가진 노즐플레이트의 부분 평면도이다.
도 52는 스트링거를 예방하기 위해 사용된 종래 기술에 따른 SAC1 포토레지스트의 퇴적을 나타내는 부분 단면도이다.
도 53은 도 52에 퇴적된 SAC1 포토레지스트 골격 위에 히터물질층의 퇴적을 나타내는 부분 단면도이다.
도 54는 각(各) 챔버에 다수의 노즐과 액츄에이터가 구비된 유닛셀의 개략적인 부분 평면도이다.
이하의 설명에서 동일한 참조부호는 같은 부분을 가리킨다. 편의상, 각 참조부호에 의해 지시되는 구성요소들이 아래에 열거된다.
MNN MPN 시리즈 부품 리스트
1. 노즐 유닛셀(Nozzle Unit Cell)
2. 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)
3. CMOS 금속층의 최상단 알루미늄 금속층(Topmost Aluminium Metal Layer in the CMOS metal layers)
4. 패시베이션층(Passivation Layer)
5. CVD 산화층(Oxide Layer)
6. 최상단 알루미늄 금속층(3)의 잉크유입구 개구(Ink Inlet Opening in Topmost Aluminium Metal Layer(3))
7. 최상단 알루미늄 금속층(3)의 피트 개구(Pit Opening)
8. 피트(Pit)
9. 전극(Electrodes)
10. SAC1 포토레지스트층(Photoresist Layer)
11. 히터물질(TiAlN)(Heater Material)
12. 서멀 액츄에이터(Thermal Actuator)
13. 포토레지스트층
14. 포토레지스트층을 통해 에칭된 잉크유입구 개구
15. 잉크유입구 통로(Ink Inlet Passage)
16. SAC2 포토레지스트층
17. 챔버 측벽 개구(Chamber Side Wall Openings)
18. 전방 채널 액체주입구조(Front Channel Priming Feature)
19. 잉크유입구에서의 배리어 구조(Barrier Formation at Ink Inlet)
20. 챔버루프층(Chamber Roof Layer)
21. 루프
22. 측벽
23. 잉크도관(Ink Conduit)
24. 노즐챔버(Nozzle Chambers)
25. 타원 노즐림(Elliptical Nozzle Rim)
25(a). 내측립(Inner Lip)
25(b). 외측립(Outer Lip)
26. 노즐구멍(Nozzle Aperture)
27. 잉크공급채널(Ink Supply Channel)
28. 접촉부(Contacts)
29. 히터부재(Heater Element)
30. 기포케이지(Bubble cage)
32. 기포보유구조(bubble retention structure)
34. 잉크투과구조(Ink permeable structure)
36. 블리드 홀(bleed hole)
38. 잉크챔버
40. 2열필터(dual row filter)
42. 지분(paper dust)
44. 잉크홈(ink gutters)
46. SAC1과 트렌치 측벽 사이 간격(gap between SAC1 and trench side wall)
48. 트렌치 측벽
50. 트렌치 가장자리 주위의 SAC1의 돌출된 립(raised lip of SAC1 around edge of trench)
52. 히터물질의 얇은 경사부(thinner inclined section of heater material)
54. 직렬 접속된 히터부재 사이의 냉점(cold spot between series connected heater elements)
56. 노즐플레이트
58. 주상돌출부(columnar projections)
60. 측벽 잉크 개구(sidewall ink opening)
62. 잉크리필개구(ink refill opening)
ＭＥＭＳ 제조공정
ＭＥＭＳ 제조공정은 CMOS 처리의 완결 후 실리콘 웨이퍼상에 노즐구조들을 형성한다. 도 2는 CMOS 처리의 완결 후이자 ＭＥＭＳ 처리 전인 노즐 유닛셀(100)의 부분 단면 사시도이다.
웨이퍼를 CMOS 처리하는 동안, 층간 절연(interlayer dielectric(ILD))층들 사이에 금속층들이 산재된 상태로, 네 개의 금속층이 실리콘 웨이퍼(2)상에 퇴적된다. 네 개의 금속층은 M1층, M2층, M3층 및 M4층으로 불리며 CMOS 처리를 하는 동안 웨이퍼상에 순차적으로 형성된다. 이들 CMOS층은 프린트헤드를 조작하기 위한 드라이브 회로(drive circuit)와 로직(logic) 모두를 제공한다.
완성된 프린트헤드에서, 각 히터부재 액츄에이터는 최외각 M4층에 형성된 한 쌍의 전극을 통해 CMOS에 접속된다. 따라서 M4 CMOS층은 그 다음에 행해지는 웨이퍼의 ＭＥＭＳ 처리를 위한 토대가 된다. 또한 M4층은 각(各) 프린트헤드 집적회로의 길이방향 가장자리를 따라서 본딩패드(bonding pad)를 형성한다. 도시하지 않은 이들 본딩패드는 상기 본딩패드로부터 뻗어 있는 와이어본드(wire bond)를 통해 상기 CMOS가 마이크로프로세서에 연결될 수 있도록 한다.
도 1과 도 2는 그 위에 패시베이션층(4)이 퇴적되어 있는 알루미늄 M4층(3)을 나타낸 것이다 (이들 도면에는 M4층의 ＭＥＭＳ 구조만 도시되어 있다; M4층의 주요 CMOS 구조는 노즐 유닛셀 바깥에 위치되어 있다). M4층(3)은 1미크론의 두께를 가지며 2미크론의 CVD 산화층(5) 위에 퇴적되어 있다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, M4층(3)은 잉크유입구 개구(6)와 피트 개구(7)를 갖는다. 이들 개구는 Ｍ ＥＭＳ공정에서 잉크유입구의 위치 및 뒤이어 형성되는 피트의 위치를 규정한다.
유닛셀(1)의 ＭＥＭＳ 처리가 시작되기 전, 각(各) 프린트헤드 집적회로의 길이방향 가장자리를 따라 본딩패드가 에칭에 의해 패시베이션층(4)을 관통하여 형성된다. 이러한 에칭은 본딩패드 위치에서 M4층(3)을 노광시킨다. 이와 같은 단계 동안 노즐 유닛셀(1)은 포토레지스트로 완전히 마스킹되어, 에칭에 의한 영향을 받지 않는다.
도 3 내지 5로 돌아가서, ＭＥＭＳ 처리의 제1단계에서는 패시베이션층(4)과 CVD 산화층(5)을 통해 피트(8)를 에칭한다. 이와 같은 에칭은 도 3에 도시된 어두운 톤의 피트 마스크(dark tone pit mask)에 의해 노광된 포토레지스트층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. M4층(3)의 상단으로부터 측정했을 때, 피트(8)는 깊이가 2미크론이다. 피트(8)를 에칭함과 동시에, 패시베이션층(4)을 통해 M4층(3)을 부분적으로 노광시킴으로써 피트의 양측으로 전극들(9)이 형성된다. 완성된 노즐에서, 이 전극들(9) 사이의 피트(8)를 가로질러 히터부재가 현수된다.
다음 단계에서(도 6 내지 8), 피트(8)는 포토레지스트(10)로 이루어진 제1희생층("SAC1")으로 채워진다. 2 미크론 두께의 고점도(high viscosity) 포토레지스트층이 웨이퍼상에 먼저 스핀형성되고(spin) 나서 도 6에 도시된 어두운 톤의 마스크를 이용해서 노광된다. SAC1 포토레지스트(10)는 피트(8)의 양쪽에 있는 전극(9)을 가로질러 히터물질의 후속 퇴적을 위한 골격을 형성한다. 따라서, SAC1 포토레지스트(10)가 전극(9)의 윗면(upper surface)과 높이가 같은 평평한 윗면을 갖는 것은 중요하다. 동시에, SAC1 포토레지스트는 피트를 가로질러 뻗어 있고 또한 전 극(9)을 단락시키는 전도성 히터물질(conductive heater material)로 이루어진 '스트링거(stringer)'를 피할 수 있도록 피트(8)를 완전히 채워야만 한다.
일반적으로, 트렌치를 포토레지스트로 채울 때, 포토레지스트가 트렌치 벽에 접촉하여 채워지는 것을 확실히 해서 후속 퇴적단계에서 '스트링거'를 피할 수 있도록 트렌치의 둘레 바깥쪽으로 포토레지스트를 노출(expose)시키는 것이 필요하다. 하지만, 이러한 기술은 트렌치의 둘레 주위에 포토레지스트로 이루어진 돌출된 (끝이 뾰족한) 림(rim)을 초래한다. 돌출된 림은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 후속 퇴적단계에서, 물질이 상기 돌출된 림 상에 불균일하게 퇴적되기 때문이다. 다시 말해, 이 림의 수직면이나 경사면이 트렌치를 채운 포토레지스트의 수평면보다 퇴적물질을 더 적게 수용할 것이다. 그 결과는 물질이 얇게 퇴적된 영역에서의 '저항과열점(resistance hotspots)'이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 공정에서는 도 6에 도시된 마스크를 이용하여 피트(8)의 둘레 벽 안쪽으로 예를 들면 0.5미크론 범위 내에서 SAC1 포토레지스트(10)를 의도적으로 노출(expose)시킨다. 이것이 SAC1 포토레지스트(10)의 평평한 윗면을 확보하며 또한 피트(8)의 둘레 림 주위에 포토레지스트로 된 어떤 돌출 영역(spiked region)도 회피한다.
SAC1 포토레지스트(10)의 노광 후, 포토레지스트는 가열에 의해 역류하게 된다. 포토레지스트를 역류시키면 포토레지스트가 피트(8)의 벽 쪽으로 흘러들어, 피트를 정확히 채울 수 있다. 도 9와 도 10은 역류 후의 SAC1 포토레지스트(10)를 나타낸 것이다. 포토레지스트는 평평한 윗면을 가지므로 전극(9)을 형성하는 M4층(3) 의 윗면과 같은 높이로 이어진다. 역류 후에, 히터물질의 후속 퇴적단계 동안 어떤 역류도 피할 수 있게 SAC1 포토레지스트(10)가 UV경화 및/또는 가열경화(hardbake) 된다.
도 11과 도 12는 SAC1 포토레지스트(10)상에 히터물질(11)이 0.5미크론 두께로 퇴적된 후의 유닛셀을 나타낸 것이다. 상술한 역류공정(reflow process)으로 인해, 전극(9)과 SAC1 포토레지스트(10) 위쪽으로 히터물질(11)이 균일하면서도 평평한 층으로 퇴적된다. 이 히터물질은 TiAl, TiN, TiAlN, TiAlSiN 등과 같은 임의의 적당한 전도성 물질로 구성될 수 있다. 전형적인 히터물질 퇴적공정은 100Å의 TiAl 씨드층(seed layer), 2500Å의 TiAlN층, 다시 100Å의 TiAl 씨드층과 마지막으로 다시 2500Å의 TiAlN층의 연속 퇴적을 포함할 수 있다.
도 13 내지 15를 참조하여, 다음 단계에서, 서멀(thermal) 액츄에이터(12)를 형성하기 위해 히터물질(11)로 이루어진 층이 에칭된다. 각 액츄에이터(12)는 SAC1 포토레지스트(10)의 양쪽에 형성된 각각의 전극(9)과 전기접속을 수립하는 접촉부들(28)을 갖고 있다. 히터부재(29)는 대응해 있는 접촉부(28) 사이에 걸쳐져 있다.
이러한 에칭은 도 13에 도시된 어두운 톤의 마스크를 사용하여 포토레지스트층(도시하지 않음)이 노광됨으로써 형성된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 히터부재(12)는 한 쌍의 전극(9) 사이에 걸쳐 있는 직선빔(linear beam)이다. 하지만, 다른 한편으로 이 히터부재(12)는 본 출원인의 미국특허 No.6,755,509에 설명되어 있는 다른 구성들을 채용할 수 있으므로, 이 미국특허의 내용은 참조에 의해 여기에 편입된다. 예컨대, 중심공(central void)을 가진 히터부재(29) 구성은 잉크분사가 이루어지는 동안 기포가 붕괴될 때 히터물질에 가해지는 캐비테이션(cavitation)의 나쁜 효과를 최소화하는데 유리할 수 있다. 캐비테이션 보호의 다른 형태로서 '기포빼기(bubble venting)'와 자기보호물질(self passivating material)의 사용과 같은 것이 채택될 수 있다. 이들 캐비테이션 관리 기술들은 미국 특허출원(문서번호 MTC001US)에 상세히 설명되어 있다.
그 다음 단계에서는, 노즐용 잉크유입구가 패시베이션층(4), 산화층(5) 및 실리콘 웨이퍼(2)를 통해서 에칭된다. CMOS 처리를 하는 동안, 각(各) 금속층은 이러한 잉크유입구 에칭에 대비하여 상기 각 금속층을 관통하여 에칭된 잉크유입구 개구(예컨대, 도 1에서 M4층(3)의 개구(6) 참조)를 구비한다. 산재된 ILD층들과 함께, 이들 금속층은 잉크가 CMOS층 안으로 스며드는 것을 방지하는 잉크유입구용 밀폐링(seal ring)을 형성한다.
도 16 내지 18을 참조하여, 비교적 두꺼운 포토레지스트(13)층이 웨이퍼상에 스핀형성되고 나서 도 16에 도시된 어두운 톤의 마스크를 사용하여 노광된다. 필요한 포토레지스트(13)의 두께는 잉크유입구를 에칭하는데 사용되는 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etch(DRIE))의 선택에 달려 있다. 잉크유입구 개구(14)가 포토레지스트(13)에 형성됨에 따라, 웨이퍼는 후속 에칭 단계들을 수행할 준비가 된다.
제1에칭단계(도 19와 도 20)에서는, 아래쪽 실리콘 웨이퍼까지 절연층(패시베이션층(4)과 산화층(5))이 관통하여 에칭된다. 모든 표준 산화에칭(standard oxide etch)(예컨대 O2/C4F8)이 이용될 수 있다.
제2에칭단계(도 21과 도 22)에서는, 동일한 포토레지스트 마스크(13)를 사용하여, 실리콘 웨이퍼(2)를 통해 잉크유입구(15)가 깊이 25미크론까지 에칭된다. 보쉬 에칭(미국특허 No.6,501,893 및 6,284,148)(Bosch etch)과 같은 모든 표준 이방성 DRIE가 이러한 에칭에 사용될 수 있다. 잉크유입구(15)의 에칭 후, 포토레지스트층(13)이 플라즈마 애싱(ashing)에 의해 제거된다.
다음 단계에서는, 잉크유입구(15)가 포토레지스트로 틀어 막히고 나서 포토레지스트(16)로 된 제2희생층("SAC2")이 SAC1 포토레지스트(10)와 패시베이션층(4)의 상단에 퇴적된다. SAC2 포토레지스트(16)는 각 노즐챔버를 위한 루프와 측벽들을 형성하는, 루프물질의 후속 퇴적용 골격 역할을 할 것이다. 도 23 내지 25를 참조하여, 1∼6 미크론 두께의 고점도 포토레지스트층이 웨이퍼상에 스핀형성되고 나서 도 23에 도시된 어두운 톤의 마스크를 이용하여 노광된다.
도 23과 도 25에 도시된 바와 같이, 잉크도관용 측벽들과 챔버 측벽들의 위치에 대응하여 상기 마스크가 SAC2 포토레지스트(16)에 측벽 개구들(17)을 노광시킨다. 또한, 틀어 막힌 유입구(15)(plugged inlet)와 노즐챔버입구에 각각 인접하여 개구(18)와 개구(19)가 노광된다. 이들 개구(18)(19)는 후속하는 루프 퇴적단계에서 루프물질로 채워져서 본 노즐 디자인의 독특한 장점들을 제공할 것이다. 특히, 루프물질로 채워진 개구(18)는, 유입구(15)로부터 각 노즐챔버 안으로 잉크를 뽑아내는데 도움을 주는, 액체주입구조의 역할을 한다. 이것이 아래에 자세히 설명 된다. 루프물질로 채워진 개구(19)는 필터구조와 유체혼선 배리어(fluidic cross talk barrier)의 역할을 한다. 이들 구조는 공기방울(air bubble)이 노즐챔버 안으로 들어가는 것을 방지하며 또한 서멀 액츄에이터(12)에 의해서 발생한 압력 펄스(pressure pulse)를 발산(diffuse)한다.
도 26과 도 27을 참조하여, 다음 단계에서는 PECVD에 의해 SAC2 포토레지스트(16)상에 3미크론 두께로 루프물질(20)을 퇴적한다. 루프물질(20)은 루프(21)와 측벽들(22)을 구비한 노즐챔버(24)를 형성하기 위해 개구(17)(18)(19)를 SAC2 포토레지스트(16)로 채운다. 각(各) 노즐챔버 안으로 잉크를 공급하기 위한 잉크도관(23)도 루프물질(20)을 퇴적하는 동안 형성된다. 또한, 모든 액체주입구조와 필터구조(도 26과 27에 도시하지 않음)가 동시에 형성된다. 각 노즐챔버(25)에 대응하는 각각의 루프(21)는 연속 노즐플레이트(continuous nozzle plate)를 형성할 수 있도록 일렬로, 인접해 있는 노즐챔버들을 가로질러 걸쳐진다. 루프물질(20)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 실리콘 산화질화물, 알루미늄 질화물 등과 같은 적당한 어떤 물질로도 구성될 수 있다.
도 28 내지 30을 참조하여, 다음 단계에서는 루프물질(20)을 2 미크론 두께로 에칭하여 제거함으로써 루프(21)에 타원 노즐림(25)을 형성한다. 이와 같은 에칭은 도 28에 도시된 어두운 톤의 림 마스크에 의해 노광된 포토레지스트층(도시하지 않음)을 사용하여 형성된다. 타원 림(25)은 그들 각각의 서멀 액츄에이터(12) 위에 위치된, 2개의 동축형(coaxial) 림 립(25a)(25b)을 포함한다.
도 31 내지 33을 참조하여, 다음 단계에서는 림(25)으로 둘러싸인, 잔류 루 프물질(20)을 관통하여 전부 에칭함으로써 루프(21)에 타원 노즐구멍(26)을 형성한다. 이와 같은 에칭은 도 31에 도시된 어두운 톤의 루프 마스크에 의해 노광된 포토레지스트층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 타원 노즐구멍(26)은 도 33에 도시된 바와 같이, 서멀 액츄에이터(12) 위에 위치된다.
모든 ＭＥＭＳ 노즐구조(nozzle feature)가 완전히 형성되면, 다음 공정에서는 O2플라즈마 애싱(도 34 내지 35)에 의해 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 제거한다. 애싱 후, 서멀 액츄에이터(12)가 피트(8) 위에 단일 평면(single plane)으로 현수된다. 접촉부(28)와 히터부재(29)의 공면 퇴적(coplanar deposition)은 전극(9)과의 효과적인 전기접속을 제공한다.
도 36과 도 37은 SAC1 포토레지스트층(10)과 SAC2 포토레지스트층(16)을 애싱한 후 실리콘 웨이퍼(2)의 전체 두께(150미크론)를 나타낸다.
도 38 내지 40을 참조하여, 일단 웨이퍼의 앞면 ＭＥＭＳ 처리가 완결되면, 표준 이방성 DRIE를 이용해서 잉크유입구(15)와 만날 수 있도록 웨이퍼의 뒷면으로부터 잉크공급채널들(27)이 에칭된다. 이와 같은 뒷면 에칭은 도 38에 도시된 어두운 톤의 마스크에 의해 노광된 포토레지스트층(도시하지 않음)을 이용하여 형성된다. 잉크공급채널(27)은 웨이퍼의 뒷면과 잉크유입구(15) 사이에 유체연결(fluidic connection)을 형성한다.
마지막으로, 도 41과 도 42를 참조하여, 뒷면 에칭에 의해서 웨이퍼 두께가 135미크론으로 얇아진다. 도 43은 완성된 프린트헤드 집적회로의 일부를 절단한 사 시도로서 3개의 인접한 노즐열을 나타내고 있다. 각 노즐열은 노즐열의 길이를 따라 뻗어 있고 또한 각(各) 열에 있는 복수개의 잉크유입구(15)에 잉크를 공급하는 각각의 잉크공급채널(27)을 갖고 있다. 각 노즐챔버가 해당 열에 할당된 공통잉크도관(common ink conduit)으로부터 잉크를 받아들이면, 잉크유입구가 각(各) 열의 잉크도관(23)에 잉크를 차례로 공급한다.
개별 구성요소의 특징 및 장점
아래의 작은 표제 항목에서는 본 발명의 특징적 구성요소들과 이들 구성요소의 장점이 설명된다. 문맥으로 보아 어떤 도면들을 특별히 배제하지 않는 한, 그리고 특별히 참조된 그 도면들과 관련이 있는 한, 이 구성요소들은 본 발명에 첨부된 모든 도면과 관련해서 고려될 것이다.
저 손실 전극(Low Loss Electrodes)
도 41과 도 42에 도시된 바와 같이, 히터부재(29)가 챔버 내에 현수되어 있다. 이것은 챔버가 충분히 채워져 있을 때 상기 히터부재가 잉크 내에 잠기는 것을 확실하게 한다. 히터부재를 잉크 내에 완전히 잠기게 하는 것은 프린트헤드 효율을 비약적으로 개선한다. 아래쪽 웨이퍼 기판에 더 적은 열이 분산되므로 입력 에너지의 더 많은 열이 잉크를 분사하는 기포를 생성하는데 이용된다.
히터부재를 현수하기 위해 이 접촉부는 상기 히터부재의 융기된 위치(raised position)에서 상기 부재를 지지하는데 사용될 수 있다. 본질적으로 히터부재의 양 단에 있는 접촉부는 들어올려진 위치에서 CMOS 드라이브에 형성된 각(各) 전극을 상기 부재에 연결하기 위한 수직부(vertical section)나 경사부(inclined section)를 가질 수 있다. 그렇지만, 수직면이나 경사면에 퇴적된 히터물질은 수평면에 퇴적된 히터물질보다 두께가 얇다. 박부(thinner section)에서 바람직하지 못한 저항 손실(resistive loss)이 일어나는 것을 예방하기 위해, 서멀 액츄에이터의 접촉 부분은 비교적 클 필요가 있다. 더 큰 접촉부는 웨이퍼 표면의 상당한 면적을 차지하여 노즐실장밀도(nozzle packing density)를 제한한다.
히터를 잠기게 하기 위해, 본 발명에서는 챔버바닥의 높이를 내릴 수 있게 상기 전극(9) 사이에 피트나 트렌치(8)를 에칭한다. 상술한 바와 같이, 희생 포토레지스트층(SAC)(10)(도 9 참조)이 상기 히터부재를 위한 골격을 제공할 수 있도록 이 트렌치 내에 퇴적된다. 하지만, 트렌치(8) 내에 SAC(10)를 퇴적하는 것과 히터물질층으로 트렌치를 단순히 덮는 것은 상기 SAC(10)와 트렌치(8) 측벽(48)(도 7에 관해 앞에서 설명된 바와 같이) 사이의 간격(46)에 형성되는 스트링거를 야기할 수 있다. 마스크를 트렌치(8) 표면에 정확히 맞추는 것이 어렵기 때문에 이 간격이 형성된다. 일반적으로, 마스킹된 포토레지스트가 노광되면, 피트의 표면(sides)과 SAC 사이에 간격들(46)이 형성된다. 히터물질층이 퇴적되면, '스트링거'(알려진 바와 같이)를 형성하기 위해 히터물질층이 이들 간격을 채운다. (히터부재를 형성하는) 금속 에칭과 (SAC를 최종적으로 제거하기 위한) 릴리즈 에칭 후에 트렌치(8) 내에 스트링거들이 남아 있다. 이 스트링거들은 히터가 기포를 형성하지 못하도록 상기 히터를 단락(short circuit)시킬 수 있다.
도 52와 도 53으로 돌아가, 스트링거를 예방하기 위한 '전통적인' 기술이 설명된다. 트렌치(8)보다 약간 크게 SAC를 노광시키는 UV 마스크를 제조하면, 간격이 형성되지 않도록 상기 SAC가 측벽(48) 위로 퇴적될 것이다. 유감스럽게도, 이것은 트렌치의 상단면 둘레에 돌출된 립(50)을 생기게 한다. 히터물질층(11)이 퇴적되면(도 53 참조), 이 히터물질층은 상기 립(50)의 수직면 또는 경사면 위에서 더 얇다. 금속 에칭과 릴리즈 에칭 후, 이들 얇은 립 조직(52)(thin lip formations)이 남게 되어 국부적으로 얇아진 부분이 저항을 증가시키기 때문에 과열점(hotspots)의 원인이 된다. 이 과열점은 히터의 작동에 영향을 미쳐 히터 수명을 일반적으로 감소시킨다.
상술한 바와 같이, 본 출원인은 전극(9) 사이의 골격이 완전히 평평하도록 SAC(10)를 역류시키는 것이 간격(46)을 메운다는 사실을 알게 되었다. 이것은 전체 서멀 액츄에이터(12)가 평면이 되게 한다. CMOS 전극(9)과 현수형 히터부재(29) 위에 직접 퇴적된 접촉부를 가진 평면 구조의 서멀 액츄에이터는 수직면 또는 경사면에 의해 야기되는 과열점을 방지하므로 저항손실을 증가시키는 일없이 상기 접촉부는 더 작은 구조가 될 수 있다. 낮은 저항손실은 현수형 히터부재의 능률적인 작동을 유지하며 또한 작은 접촉크기는 프린트헤드에 노즐을 조밀하게 실장(packing)하는데 편리하다.
각(各) 챔버마다 복수 개의 노즐(Multiple Nozzle for each Chamber)
도 49를 참조하여, 도시된 유닛셀은 2 분할 잉크챔버(38)를 구비하며, 각 챔 버는 각 쌍의 접촉부(28) 사이에 연장되어 있는 히터부재(29)를 구비하고 있다. 잉크가 챔버에 들어가도록 잉크리필개구에 잉크투과구조(34)가 위치되어 있지만, 작동 중에, 허용가능한 수준까지 모든 역류 또는 유체 혼선을 줄일 수 있게 상기 구조(34)는 충분한 통수저항(hydraulic resistance)을 제공한다.
잉크는 잉크유입구(15)를 통해 웨이퍼의 뒷면으로부터 공급된다. 액체주입구조(18)가 잉크유입구 개구 안으로 연장되어 있어 잉크 메니스커스(meniscus)가 이 개구의 주변 가장자리에 고정되지 않으므로 잉크유동이 중단되지 않는다. 이 유입구(15)로부터의 잉크는 상기 유닛셀의 양 챔버(38)에 잉크를 공급하는 측방의 잉크도관(23)(lateral ink conduit)을 채운다.
챔버마다 단일(single) 노즐 대신에, 각 챔버(38)는 2개의 노즐(25)을 갖는다. 이 히터부재(29)가 구동되면(기포를 형성하면), 각 노즐(25)로부터 한 개씩 2개의 잉크방울이 분사된다. 각각의 개별 잉크방울은 챔버가 단일 노즐만 갖고 있을 때 분사되는 한 개의 방울보다 작은 체적을 갖는다. 단일 챔버로부터 복수개의 방울을 동시에 분사함으로써 인쇄 품질을 향상시킨다.
모든 노즐에서, 분사된 방울에는 방향 불일치 정도(degree of misdirection)가 있다. 방향 불일치 정도에 따라, 이것은 인쇄 품질에 해가 될 수 있다. 챔버에 복수개의 노즐을 제공함으로써, 각 노즐은 서로 다른 방향불일치를 갖는, 더 작은 체적의 방울들을 분사한다. 여러 방향으로 방향 불일치된 각각의 작은 방울은 방향 불일치된 비교적 큰 한 개의 방울보다 인쇄 품질에 덜 해롭다. 본 출원인은 사람의 눈은 각각의 작은 방울의 방향 불일치를 평균하여 훨씬 더 작은 전체 방향 불일치 를 갖고서 한 개의 방울에 의한 한 개의 도트(dot)를 효과적으로 '본다'는 것을 알게 되었다.
또한, 다노즐 챔버(multi nozzle chamber)는 단일노즐 챔버보다 더 효과적으로 방울들을 분사할 수 있다. 상기 히터부재(29)는 TiAlN으로 된 길쭉한 현수형 빔이어서 히터부재가 형성하는 기포 또한 길쭉하다. 길쭉한 기포에 의해 생성된 압력펄스는 중심부에 배치된 노즐을 통해 잉크가 분사되도록 할 것이다. 하지만, 상기 압력펄스에 의한 에너지 중 일부는 기포 형상과 노즐 형상 사이의 불일치와 관련된 유체손실(hydraulic losses)로 없어진다.
히터부재(29)의 길이를 따라 여러 개의 노즐(25)을 두는 것은 기포형상과 잉크가 분사되는 노즐형상 간의 기하학적 불일치를 감소시킨다. 이것이 잉크분사에 대한 통수저항을 감소시킴으로써 프린트헤드 효율을 향상시킨다.
인접 잉크챔버를 통해 리필된 잉크챔버(Ink Chamber Re-Filled Via Adjacent Ink Chamber)
도 46을 참조하여, 마주하고 있는 2개의 유닛셀이 도시되어 있다. 이 구성에서, 유닛셀은 4개의 잉크챔버(38)를 갖는다. 상기 챔버들은 측벽(22)과 잉크투과구조(34)에 의해 형성된다. 각(各) 챔버는 자신의 히터부재(29)를 갖고 있다. 상기 히터부재(29)는 직렬로 연결되어 있는 쌍으로 배치된다. 각 쌍 사이에는 더 낮은 전기저항 및/또는 더 큰 히트싱크(heat sinking)를 갖는 '냉점'(54)이 있다. 이것은 상기 냉점(54)에서 기포들이 응집되지 않아 각(各) 히터부재 쌍의 바깥쪽 접촉 부(28) 사이에서 상기 냉점이 공통 접촉부(common contact)가 되는 것을 확실하게 한다.
상기 잉크투과구조(34)는 방울분사(drop ejection) 후 잉크가 챔버(38)를 리필하게 하지만 인접한 챔버 사이에서의 유체혼선을 감소시킬 수 있도록 각 히터부재(29)로부터의 압력펄스를 방해한다. 이러한 구성은 상술한 도 49에 도시된 구성과 많은 유사점이 있는 것으로 이해될 것이다. 하지만, 본 실시예에서는 도 49에 도시된 비교적 긴 챔버를 2 분할 챔버로 효과적으로 나눈다. 또한, 이것은 방울분사시에 유체손실을 줄일 수 있는 노즐(25) 형태를 가진 히터부재(29)에 의해 형성된 기포의 형상을 조정(align)한다. 이것은 노즐밀도를 감소시키지 않고 달성되지만 제조공정에 얼마간 복잡성을 증가시킨다.
이 배열 속의 모든 잉크챔버에 잉크를 분배하기 위한 도관들(잉크유입구(15) 및 잉크공급도관(23))은 웨이퍼 영역의 많은 부분을 차지할 수 있다. 이것은 프린트헤드의 노즐밀도에 대한 제한요인(limiting factor)이 될 수 있다. 잉크유로(ink flow path) 중의 몇몇 잉크챔버 부분을 다른 잉크챔버로 만드는 한편 유체혼선을 충분히 피하게 각(各) 잉크챔버를 유지함으로써, 잉크공급도관에 의해 손실되는 웨이퍼 영역의 넓이를 줄인다.
복수개의 액츄에이터와 각각의 노즐들을 구비한 잉크챔버(Ink Chamber with Multiple Actuators and Respective Nozzles)
도 54를 참조하여, 도시된 유닛셀은 2개의 챔버(38)를 구비하는데, 각 챔버 는 2개의 히터부재(29)와 2개의 노즐(25)을 갖고 있다. 챔버마다 복수개의 노즐을 이용함으로써 방울 방향 불일치의 효과적인 감소가 도 49에 도시된 구성과 관련하여 앞에 검토되었다. 하나의 길쭉한 챔버를 각각 자신의 액츄에이터를 가진 분할챔버로 나누는 것의 부가적인 이익이 도 46에 도시된 구성과 관련하여 위에서 설명되었다. 본 실시예에서는 다소 복잡하게 디자인된 도 46 구성의 많은 장점을 달성할 수 있도록 각 챔버에 복수개의 노즐과 복수개의 액츄에이터를 사용한다. 단순 디자인인 경우는, 유닛셀의 전체 크기가 줄어듦으로써 노즐밀도를 더 높일 수 있다. 도시된 구성에서, 유닛셀의 점유공간(footprint)은 길이 64㎛×폭 16㎛이다.
상기 잉크투과구조(34)는 도 46 구성처럼 3개의 이격된 기둥 대신에 각(各) 챔버(38)의 잉크리필개구에 있는 단일 기둥(single column)이다. 상기 단일 기둥은 리필 흐름에 대해서는 저항이 더 작지만 작동압력펄스(actuation pressure pulse)에 의한 갑작스런 역류에 대해서는 저항이 더 큰 단면윤곽(cross section profile)을 갖고 있다. 각 챔버에 있는 양 히터부재는 상기 접촉부(28) 및 냉점구조(54)와 함께 동시에 퇴적될 수 있다. 양 챔버(38)는 공통 잉크유입구(15)와 잉크공급도관(23)으로 잉크를 공급받게 된다. 또한, 이들 구조는 점유공간이 줄어들게 하는데, 이에 대해서는 아래에 더 자세히 설명된다. 액체주입구조(18)는 챔버 측벽(22) 중 하나의 측벽 및 벽 잉크도관(23)에 대해 필수적으로 형성되어 있다. 이들 구조의 이중목적 특징(dual purpose nature)은 제조를 단순화하고 콤팩트한 디자인을 유지하도록 도와 준다.
각 드라이브회로마다 복수개의 챔버와 복수개의 노즐(Multiple Chambers and Multiple Nozzles for each Drive Circuit)
도 54에서, 액츄에이터는 직렬로 연결되어 있어 CMOS 드라이브회로를 단순화하기 위해 동일한 구동신호에 의해 일제히 작동한다. 도 46의 유닛셀에서, 인접한 노즐들 속의 액츄에이터는 같은 드라이브회로에 직렬로 연결되어 있다. 물론, 인접한 챔버들 속의 액츄에이터는 병렬로 연결될 수 있다. 그에 반해, 각 챔버 속의 액츄에이터가 개별 회로(separate circuit) 내에 있다면, CMOS 드라이브회로는 더 복잡해지고 유닛셀 점유공간(footprint)의 크기는 증가할 것이다. 더 작은 복수개의 방울을 대신 사용함으로써 방울 방향불일치가 처리되는 프린트헤드 디자인에서, 여러 개의 액츄에이터와 그들 각각의 노즐을 공통(common) 드라이브회로 안에 조합하는 것은 프린트헤드 IC 제조와 노즐밀도의 관점에서 보면 둘 다 효과적인 실행이다.
고밀도 서멀 잉크젯 프린트헤드(High Density Thermal Inkjet Printhead)
유닛셀 폭의 축소로 상기 프린트헤드는 노즐밀도가 감소될 것을 미리 요구했던 노즐패턴을 가질 수 있다. 물론, 낮은 노즐밀도는 프린트헤드 크기 및/또는 인쇄 품질에 상당한 영향을 끼친다.
전통적으로, 상기 노즐열은 반대방향으로 뻗어 있는 각각의 열마다 액츄에이터들이 쌍으로 배치되어 있다. 이 열들은 인쇄 해상도(인치당 도트 수)가 각(各) 열을 따라 노즐피치(인치당 노즐 수)의 2배가 되도록 서로에 대해 파상배치되어 있 다. 유닛의 전체 폭이 줄어들도록 유닛셀의 구성요소들을 형성함으로써, 조금도 인쇄 해상도(dpi)를 희생하는 일없이 동일 갯수의 노즐들이 마주보고 파상배치된 2개의 열 대신에 단일열(single row) 내에 배치될 수 있다. 첨부도면에 도시된 구성들은 각(各) 직선열(linear row)에서 인치당 노즐 갯수가 1000개 이상인 노즐피치를 달성한다. 이러한 노즐피치에서, 마주보고 파상배치된 2개의 열들이 고려될 때 프린트헤드의 인쇄해상도는 사진(1600 dpi)보다 높고, 노즐과잉(nozzle redundancy), 프린트헤드의 작동수명이 만족스럽게 유지되는 것을 확실하게 하는 고장노즐 보정(dead nozzle compensation) 등에 대해서 충분한 포용력이 있다. 상술한 바와 같이, 도 54에 도시된 구성은 폭이 16㎛인 점유면적을 가지므로 하나의 열을 따라 노즐피치는 인치당 노즐 갯수가 약 1600개이다. 따라서, 2단으로 파상배치된 열들은 약 3200 dpi의 해상도를 낸다.
폭이 더 좁은 유닛셀에 관련된 특별한 이익의 실현과 함께, 본 출원인은 프린트헤드와 관련이 있는 구성요소의 크기를 줄이기 위해 다수의 구성요소를 확인하여 결합시키는데 주의를 집중해 왔다. 예컨대, 챔버로부터 잉크유입구의 위치를 이동시키는 타원 노즐, 더 미세한 기하학적 로직(logic)과 더 짧은 구동 FETs(전계효과 트랜지스터(field effect transistor)는 도시된 구성들 중에서 일부 구성을 끌어내기 위해 본 출원인이 개발한 구조들이다. 각 공헌 구조(contributing feature)는 이 분야의 전통적인 지식으로부터의 이탈, 예를 들면 트랜지스터 길이를 줄이기 위해 FET 구동전압을 널리 사용되던 종래 5V에서 2.5V까지 감소시키는 것을 필요로 하였다.
저감형 정지마찰 프린트헤드 표면(Reduced Stiction Printhead Surface)
알려진 바와 같이 정적 마찰 또는 "정지마찰"은 먼지 입자들이 노즐플레이트에 "들러붙는" 것을 허용하기 때문에 노즐의 움직임을 방해한다. 도 50은 노즐플레이트(56)의 일부를 나타낸 것이다. 명확히 하기 위해, 노즐구멍(26)과 노즐림(25)도 나타낸다. 노즐플레이트의 외면은 플레이트 표면에서 짧은 길이로 뻗어 있는 주상돌출부(58)로 패턴이 형성되어 있다. 상기 노즐플레이트는 또한 밀접하게 이격된 이랑(ridge), 주름(corrugation) 또는 융기(bump)와 같은 다른 표면 구성물로 패턴이 형성될 수 있다. 하지만, 도시된 주상돌출부 패턴을 형성하는데 적합한 UV 마스크를 만드는 것은 쉬워, 상기 외면에 기둥을 에칭하는 것은 간단한 일이다.
정적 마찰 계수를 감소시킴으로써, 종이 먼지나 다른 오염물질이 노즐플레이트에서의 노즐의 움직임을 방해할 가능성은 더 적다. 돌출된 구조로 노즐플레이트의 외부를 패터닝하는 것은 먼지 입자들이 접촉하는 표면 영역을 제한한다. 상기 입자들이 각(各) 구조의 외측단에 접촉할 수만 있다면, 입자들과 노즐플레이트 사이의 마찰은 최소가 되어 부착량은 훨씬 더 적어지게 된다. 입자들이 부착되면, 프린트헤드 유지보수 사이클 동안 입자들이 쉽게 제거된다.
유입구 액체주입구조(Inlet Priming Feature)
도 47을 참조하여, 도시되어 있는 2개의 유닛셀은 서로 반대방향으로 뻗어 있다. 잉크유입구 통로(15)는 측방의 잉크도관(23)을 통해 4개의 챔버(38)에 잉크 를 공급한다. 잉크유입구(15)와 같은 미시적 규모(micron-scale)의 도관을 통해 잉크젯 프린트헤드 내의 개별 ＭＥＭＳ 노즐에 잉크를 분배하는 것은 거시적 규모(macro-scale)의 유동(flow)에서는 일어나지 않는 요인들에 의해 복잡하다. 구멍의 형상에 따라 메니스커스가 형성될 수 있고, 이 메니스커스가 상기 구멍의 립(lip)에 꽤 단단히 '고정(pin)'될 수 있다. 붙잡힌 공기방울을 내보내는 반면에 잉크를 존속시키는 블리드 홀처럼, 이것이 프린트헤드에는 유익할 수 있지만, 반대로 어떤 챔버로의 잉크유동을 중단하면 문제가 될 수 있다. 이것은 프린트헤드에 잉크를 처음 채울 때 쉽게 일어날 수 있다. 만약 잉크 메니스커스가 잉크유입구 개구에 고정되면, 유입구에 의해서 채워지는 챔버들은 잉크를 꽉 채우지 않은 상태로 있을 것이다. 이를 방지하기 위해, 유입구 구멍(15)의 평면을 관통하여 뻗도록 2개의 액체주입구조(18)가 형성된다. 이 액체주입구조(18)는 도시하지 않은 노즐플레이트의 내부로부터 상기 유입구(15)의 둘레 쪽으로 뻗어 있는 기둥이다. 유입구 밖으로 잉크를 배출할 수 있게 상기 잉크유입구에서 잉크 메니스커스의 표면장력이 상기 액체주입구조(18)에 형성될 수 있도록 각각의 기둥(18) 중 일부가 상기 둘레 안쪽에 있다. 이것이 둘레 영역으로부터 메니스커스를 움직이게 하여 유동(flow)이 잉크챔버를 향하게 한다.
상기 액체주입구조가 상기 구멍의 평면을 가로질러 뻗어 있는 표면을 제공하기만 한다면, 이 액체주입구조(18)는 많은 형태를 가질 수 있다. 또한, 이 액체주입구조는 도 54에 도시된 바와 같이 다른 노즐구조의 필수부분이 될 수 있다.
측방 입구 잉크챔버(Side Entry Ink Chamber)
도 48을 참조하여, 여러 개의 인접해 있는 유닛셀이 도시되어 있다. 이와 같은 구성에서, 길쭉한 히터부재(29)는 잉크분배도관(23)(ink distribution conduit)과 나란히 뻗어 있다. 따라서, 길쭉한 잉크챔버들(38)이 잉크도관(23)과 마찬가지로 평행하게 정렬된다. 측벽 개구들(60)은 상기 챔버들(38)을 잉크도관(23)과 연결한다. 측방 유입구(side inlet)를 가지도록 잉크챔버들을 구성하는 것은 잉크 리필 시간(ink refill time)을 줄여 준다. 상기 유입구는 더 넓으므로 리필 유동 속도(refill flow rate)가 더 빠르다. 이 측벽 개구들(60)은 허용가능한 수준까지 유체혼선을 유지하도록 잉크투과구조(34)를 가지고 있다.
잉크챔버용 유입구 필터(Inlet Filter for Ink Chamber)
도 47을 참조하여, 각 챔버(38)의 잉크리필개구는 공기방울이나 다른 오염물질을 걸러내기 위한 필터구조(40)를 갖고 있다. 잉크 속의 공기방울(air bubble)과 고체 오염물질(solid containment)은 ＭＥＭＳ 노즐구조에 해가 된다. 공기방울이 잉크챔버 내에 갇혀 있으면 크게 압축할 수 있는 공기방울이 액츄에이터로부터 압력펄스를 흡수할 수 있다고 해도 상기 고체 오염물질이 노즐개구를 막을 수 있다는 것은 분명하다. 이것이 영향을 받은 노즐로부터의 잉크 분사를 사실상 불가능하게 한다. 유동방향에 대해 인접한 열(row) 속의 장애물과 인쇄정합(registration)이 되지 않게 각(各) 열이 이격된, 상기 개구를 통해 유동방향을 가로질러 뻗어 있는 장애물(obstructions) 열(row)의 형태로 필터구조(40)를 제공함으로써, 잉크리필 유동 속도가 지나치게 늦지 않는 한 오염물질들은 챔버(38) 안으로 들어가지 못할 것이다. 상기 열들은 서로에 대해서 오프셋(offset)되어 있어 유도 난류(induced turbulence)가 노즐리필 속도에 대해 최소 효과를 갖지만, 공기방울이나 다른 오염물질은 상기 장애물(40)에 의해 공기방울이나 오염물질이 유지되는 기회를 증가시키는 비교적 구불구불한 유로를 따라간다.
도시된 구성에서는 웨이퍼 기판과 노즐플레이트 사이에 뻗어 있는 기둥 형태로 2개의 장애물(40) 열을 사용한다.
다색 잉크젯 프린트헤드의 혼색 표면 배리어(Intercolour Surface Barriers in Multi Colour Inkjet Printhead)
도 51로 돌아가, 상술한 도 46에 도시된 것과 같은 유닛셀을 위해 노즐(56)의 외면이 도시되어 있다. 노즐구멍(26)은 도시하지 않은 히터부재 바로 위에 위치되어 있으며 일련의 사각 모서리형 잉크홈들(44)이 잉크도관(23) 위의 노즐플레이트(56)에 형성되어 있다 (도 46 참조).
잉크젯 프린터는 프린트헤드가 사용되지 않을 때 그 프린트헤드를 캐핑하는 유지보수 스테이션(maintenance station)을 대개 구비하고 있다. 노즐플레이트로부터 잉여 잉크를 제거하기 위해, 노즐플레이트의 외면에서 캐퍼가 벗겨지도록 이 캐퍼가 결합상태로부터 해제될 수 있다. 이것이 상기 캐퍼의 표면과 노즐플레이트의 외면 사이에서 메니스커스의 형성을 촉진한다. 메니스커스의 표면장력이 표면에 접촉하는 각도와 관련이 있는(더 자세한 내용은, 참조로써 여기에 편입된 본 출원인 의 동시 계류중(co-pending)인 USSN(문서번호 FND007US)을 참조), 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)를 이용하여, 상기 노즐플레이트의 외면을 적시는 대부분의 잉크가 메니스커스를 따라 끌어 당겨져 모일 수 있다. 잉크는 캐퍼가 노즐플레이트로부터 완전히 결합해제되는 지점에 큰 방울로서 알맞게 침전된다. 유감스럽게도, 일부 잉크는 노즐플레이트 위에 잔류한다. 프린트헤드가 다색 프린트헤드인 경우, 메니스커스가 상기 노즐플레이트의 전체 표면에 걸쳐 잉크를 끌어당기기 때문에, 정해진 노즐구멍의 안이나 주변에 남은 잔류 잉크는 노즐에서 분사된 잉크의 색과는 다른 색일 수 있다. 한쪽 노즐로부터의 잉크에 의한 다른쪽 노즐에서의 잉크 오염은 인쇄시 가시적인 인공산물(visible artefact)을 야기할 수 있다.
상기 캐퍼가 노즐플레이트로부터 분리되어 벗어나게 되는 방향을 가로질러 뻗어 있는 홈구조(44)(gutter formation)는 상기 잉크의 일부를 메니스커스로 제거하여 간직할 것이다. 이 홈들이 잉크 전부를 메니스커스로 모으지 않더라도, 이 홈들은 다른 색의 잉크로 인한 노즐오염도(level of nozzle contamination)를 상당히 낮춘다.
기포트랩(Bubble Trap)
잉크 내에 혼입된 공기방울은 프린트헤드 작동에 매우 나쁘다. 일반적으로 공기, 더 정확히 말하면 기체는 크게 압축 가능하므로 상기 액츄에이터로부터 압력펄스를 흡수할 수 있다. 붙잡힌 기포가 액츄에이터에 의해 간단히 압축되면, 잉크가 노즐에서 분사되지 않을 것이다. 붙잡힌 기포는 잉크의 강제흐름(forced flow) 과 함께 프린트헤드로부터 배출될 수 있지만, 배출된 잉크는 빼낼 필요가 있고 강제흐름은 새로운 기포들을 쉽게 만들 수 있다.
도 46에 도시된 구성은 잉크유입구(15)에 기포 트랩을 갖는다. 이 트랩은 기포보유구조(32)와 루프층에 형성된 벤트(36)로 형성되어 있다. 이 기포보유구조는 유입구(15)의 둘레 주변에 이격된 일련의 기둥(32)이다. 상술한 바와 같이, 잉크주입구조(18)는 이중목적을 가지며 또한 상기 기포보유구조의 일부분을 알맞게 형성한다. 사용시, 잉크투과트랩은 주위로 공기를 배출하는 공기배출구 쪽으로 기체방울(gas bubble)을 안내한다. 잉크유입구에서 기포들을 붙잡아 작은 공기배출구 쪽으로 이 기포들을 안내함으로써, 이 기포들은 잉크가 전혀 누출되는 일없이 잉크유동으로부터 효과적으로 제거된다.
복수개의 잉크유입구 유로(Multiple Ink Inlet Flow Paths)
복잡한 잉크분배시스템 대신에, 웨이퍼 한쪽으로부터 다른쪽으로 뻗어 있는 도관을 통해 상기 노즐에 잉크를 공급하는 것은 더 넓은 웨이퍼 영역(잉크 분사측에)이 노즐을 갖도록 할 수 있다. 하지만, 웨이퍼를 통해 깊게 에칭된 미시적 규모의 홀(holes)은 오염물질 또는 공기방울에 의해 막히기(clogging) 쉽다. 이러한 일이 영향을 받은 유입구에 의하여 상기 노즐에 공급되는 잉크를 부족하게 한다.
도 48에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프린트헤드는 상기 노즐플레이트와 그 밑에 놓인 웨이퍼 사이의 잉크도관(23)을 통해 각(各) 챔버(38)에 잉크를 공급하는 적어도 2개의 잉크유입구(15)를 구비하고 있다.
여러 챔버(38)에 잉크를 공급하고 또한 여러 잉크유입구(15)로부터 잉크를 공급받는 잉크도관(23)을 도입하는 것은 유입구 막힘(inlet clogging)으로 인하여 잉크가 노즐에 부족하게 공급되는 계기를 감소시킨다. 어느 한 유입구(15)가 막혀 있으면, 이 잉크도관은 웨이퍼에 있는 다른 유입구로부터 더 많은 잉크를 배출할 것이다. 비록 본 발명이 구체적인 실시예와 관련하여 위에 설명되었더라도, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명은 많은 다른 형태로도 구성될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. ＭＥＭＳ공정에서 현수형 빔을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    (a) 베이스(base)와 측벽들(sidewalls)을 갖는 피트(pit)를 기판에 에칭하는 단계(etching);
    (b) 상기 피트를 채울 수 있도록 상기 기판의 표면에 희생물질(sacrificial material)을 퇴적하는 단계(depositing);
    (c) 상기 피트 내의 둘레영역(perimeter region)과 상기 피트를 둘러싸는 기판 표면으로부터 상기 희생물질을 제거하는 단계(removing);
    (d) 상기 피트 내의 잔류 희생물질을 역류시켜(reflowing) 상기 잔류 희생물질이 상기 측벽들과 접촉하게 하는 단계;
    (e) 상기 기판 표면 및 역류된 희생물질 위에 빔 물질(beam material)을 퇴적하는 단계; 및
    (f) 상기 역류된 희생물질을 제거하여 현수형 빔을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현수형 빔(suspended beam)은 사실상 평면(planar)인 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 현수형 빔의 모든 부분은 사실상 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 현수형 빔은 잉크젯 노즐용 액츄에이터(actuator)인 것을 특징으로 현수형 빔의 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 히터부재(heater element)인 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 히터부재는 한 쌍의 전극(electrode) 사이에 현수되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼는 적어도 하나의 표면산화층(surface oxide layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 희생물질은 포토레지스트(photoresist)인 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 포토레지스트는 현상(development)에 이어서 마스크(mask)를 통한 노광(exposure)에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 둘레영역은 상기 측벽들 중 적어도 2 개의 측벽에 인접하는 영역(area)을 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 둘레영역은 상기 측벽들 전부에 인접하는 영역(area)을 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 둘레영역으로부터의 상기 희생물질의 제거는 상기 잔류 희생물질과 상기 측벽들 중 적어도 2 개의 측벽 사이에 1 미크론 미만의 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 둘레영역으로부터의 상기 희생물질의 제거는 상기 잔류 희생물질과 상기 측벽들 전부 사이에 1 미크론 미만의 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 역류(reflowing)는 상기 희생물질을 가열함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 희생물질은 과도한 역류를 방지하기 위해 빔 물질(beam material)의 퇴적(deposition)에 앞서 처리되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 처리는 UV 경화(curing)를 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 빔 물질은 퇴적 후에 예정된 형태(configuration)로 에칭되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 빔 물질의 퇴적 후이고 상기 역류된 희생물질의 제거 전에, ＭＥＭＳ공정의 후속 단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 ＭＥＭＳ공정의 후속 단계는 상기 현수형 빔을 포함한 잉크젯 노즐을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 현수형 빔의 제조방법.
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