KR20220143755A - 열 잉크젯 프린트헤드 및 이를 포함하는 인쇄 어셈블리 및 인쇄 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 잉크젯 프린트헤드, 그리고 이를 포함하는 인쇄 조립체 및 인쇄 장치를 제안한다. 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드는: 기판; 노즐 층 - 노즐 층은 당해 노즐 층을 관통하여 형성된 복수의 노즐을 포함함 - ; 복수의 노즐에 대응하는 복수의 잉크 토출 챔버; 기판에 형성되고 복수의 잉크 토출 챔버에 대응하는 복수의 히터 저항기 - 상기 히터 저항기 각각은, 노즐 각각을 통한 잉크 액적 토출이 대응하는 잉크 토출 챔버에 위치하는 히터 저항기 중 하나의 가열에 의해 유발되도록, 잉크 토출 챔버 중 상이한 것에 위치됨 -; 복수의 히터 저항기에 형성되고 이에 대응하는 복수의 분리된 캐비테이션 아일랜드 - 상기 캐비테이션 아일랜드 각각은 히터 저항기 중 상이한 것을 덮음 -; 및 히터 저항기와 캐비테이션 아일랜드 사이에 삽입된 유전체 층을 포함한다. 본 발명을 사용하면 프린트헤드의 신뢰성을 향상시키고 실질적으로 개선하는 것을 도울 수 있고, 이는 결과적으로 제조 프로세스의 수율을 증가시킬 수 있다.

Description

열 잉크젯 프린트헤드 및 이를 포함하는 인쇄 조립체 및 인쇄 장치

본 발명은 열 잉크젯 인쇄 기술 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 열 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

열 잉크젯 인쇄 기술은 상대적으로 양호하게 발달되어 왔다. 다양한 열 잉크젯 프린트헤드가 있어 왔다. 예를 들어, US6123419A는 기생 저항의 비효율적인 전력 소산을 극복하기 위해 보다 높은 저항 값의 세그먼트화된 히터 저항기를 사용하는 열 잉크젯 프린트헤드를 개시한다. US6582062B1은 기생 저항 및 유입 리드의 수를 감소시키기 위해 다중화 디바이스를 사용하는 대형 어레이 잉크젯 프린트헤드를 개시한다.

열 잉크젯 프린트헤드에서, 노즐을 통한 잉크 액적의 토출은 잉크 토출 챔버 내에 존재하는 일정량의 잉크를 신속히 가열함으로써 달성되고, 잉크의 가열은 잉크 토출 챔버 내에 위치하는 히터 저항기에 인가되는 짧은 전류 펄스에 의해 달성된다. 잉크의 가열은 잉크 증기포가 급속하게 형성되고 팽창되게 하여, 노즐을 통해 액체 잉크가 통과하게 한다. 펄스가 종료되고 잉크 액적이 토출되면 잉크 토출 챔버는 잉크 채널에 의해 잉크로 리필된다. 히터 저항기는 저항성 필름으로 제조되고, 열 잉크젯 프린트헤드는 저항기 어레이와 같은 복수의 히터 저항기를 포함한다. 히터 저항기는 각각의 히터 저항기가 적절하게 제어될 수 있도록 전도성 트레이스 및/또는 패드에 의해 연관된 논리 회로 및 전력 회로에 전기적으로 연결된다. 논리 회로 및 전력 회로를 구현하는 데 금속 라인이 사용된다.

종래 기술의 열 잉크젯 프린트헤드 디바이스에서, 일반적으로 모든 히터 저항기는 연속적인 보호층으로 덮여 있으며, 이는 프린트헤드의 작동 동안 잉크 증기포의 갑작스러운 붕괴에 의해 하부의 저항성 필름이 손상되는 것을 방지한다. 이를 위해 탄탈륨과 같은 일부 내화 금속이 보호층에 사용되며, 이는 우수한 기계적 강도 및 양호한 열 전도율 모두를 나타낸다. 이러한 탄탈륨 필름은 보통 전체 저항기 어레이에 걸쳐 전체 저항기 면적에 연속적으로 증착된다. 탄탈륨의 전기 전도율로 인해 디바이스의 넓은 면적이 연속적인 탄탈륨 전도성 필름으로 덮일 것으로 판명된다. 한편으로, 디바이스에 걸친 금속 라인의 전압 레벨은 시간에 따라 변하기 때문에 이 탄탈륨 전도성 필름은 그 아래의 인접하는 금속 라인과 용량성으로 커플링될 수 있으므로 논리 회로에 일부 문제를 일으킬 수 있다. 다른 한편으로, 탄탈륨 층과 하부 금속 라인 사이에 삽입된 유전체 층의 가능한 핀홀 또는 불연속성은 기생 전기 단락 경로를 발생시킬 수 있고, 그 영향은 잉크를 통한 전기화학적 영향과 전기적 결점 모두를 유발할 수 있다. US 6 441 838 B1은 붕괴하는 구동 기포의 캐비테이션 압력을 흡수함으로써 잉크 발사 저항기에 기계적 패시베이션을 제공하는 탄탈륨 패시베이션 층을 포함하는 이러한 잉크젯 프린트헤드를 개시하며, 탄탈륨 패시베이션 층은 히터 저항기 너머, 잉크 챔버 너머에 그리고 연관된 잉크 채널을 넘어 연장되어 배치된다.

본 발명의 일 목적은 종래 기술의 상기 문제들 중 적어도 일부를 완화 또는 해결할 수 있는 해결방안을 제공하는 것이다. 언급된 문제는 독립항의 주제에 의해 해결된다. 다른 바람직한 실시형태는 종속항에서 규정된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 열 잉크젯 프린트헤드로서:

기판;

노즐 층 - 노즐 층은 당해 노즐 층을 관통하여 형성된 복수의 노즐(nozzle)을 포함함 - ;

복수의 노즐에 대응하는 복수의 잉크 토출 챔버;

기판에 형성되고 복수의 잉크 토출 챔버에 대응하는 복수의 히터 저항기 - 상기 히터 저항기 각각은, 노즐 각각을 통한 잉크 액적 토출이 대응하는 잉크 토출 챔버에 위치하는 히터 저항기 중 하나의 가열에 의해 유발되도록, 잉크 토출 챔버 중 상이한 것에 위치됨 -;

복수의 히터 저항기에 형성되고 이에 대응하는 복수의 분리된 캐비테이션 아일랜드 - 상기 캐비테이션 아일랜드 각각은 히터 저항기 중 상이한 것을 덮음 -; 및

히터 저항기와 캐비테이션 아일랜드 사이에 삽입된 유전체 층 - 상기 유전체 층은 질화 규소와 탄화 규소로 제조되며 약 0.4 내지 약 0.65μm의 범위에서의 두께를 가지는 복합 필름임 - 을 포함하는, 열 잉크젯 프린트헤드가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 열 잉크젯 프린트헤드를 포함하는 인쇄 조립체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 열 잉크젯 프린트헤드를 포함하는 인쇄 장치, 예를 들어, 프린터가 제공된다.

본 발명의 해결방안으로, 각각의 캐비테이션 아일랜드와 그 이웃하는 회로의 중첩이 감소될 수 있고, 따라서 캐비테이션 층과 그 이웃하는 회로 사이에 기생 용량성 커플링을 생성할 가능성이 종래 기술과 비교하여 극적으로 감소된다. 또한, 단일 캐비테이션 아일랜드의 상대적으로 작은 표면적 때문에 캐비테이션 아일랜드가 그 아래에 있는 얇은 유전체 필름의 가능한 결함과 중첩될 가능성이 적고, 즉, 유전체 필름에서의 결함이 일부 캐비테이션 아일랜드 직하에 배치되어 일부 전기적 단락 회로를 유발할 확률이 감소된다. 따라서, 유전체 층의 특정 구성 및 두께(종래 기술의 것보다 훨씬 얇음)로 인해 "전기적으로" 절연된 캐비테이션 아일랜드를 제공하는 것은 분명히 이롭다. 결과적으로, 본 발명은 상이한 층들 사이에 원치 않는 전도성 브리지를 갖는 핀홀을 가질 위험이 감소된 최적화된 열 전달을 제공한다. 따라서, 본 발명을 사용하는 것은 프린트헤드의 신뢰성을 실질적으로 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 결과적으로 제조 프로세스의 수율을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 비제한적이고 비망라적인 실시형태는 다음의 도면을 참조하여 예시로서 설명되며:
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 열 잉크젯 프린트헤드의 예시적인 레이아웃을 도시한 개략도이고;
도 2는 다이싱되기 전의 예시적인 웨이퍼를 도시하는 개략도이고;
도 3은 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드를 포함하는 예시적인 인쇄 조립체의 사시도를 개략적으로 도시하고;
도 4는 예시적인 미세유체 회로의 일부를 사시도로 개략적으로 도시하고;
도 5는 도 4의 미세유체 회로의 일부를 단면도로 개략적으로 도시하고;
도 6은 도 5의 일부를 보다 상세하게 개략적으로 도시한 단면도이고;
도 7은 도 1의 열 잉크젯 프린트헤드의 일부를 개략적으로 도시하고;
도 8은 종래 기술의 열 잉크젯 프린트헤드의 일부를 개략적으로 도시하고;
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각각 도 8에 그 일부가 예시된 열 잉크젯 프린트헤드에 대한 가능한 상황, 해당 상황에 대응하는 등가 회로 및 등가 회로의 수정된 버전을 도시하고; 그리고
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 도 8에 그 일부가 예시된 열 잉크젯 프린트헤드에 대한 다른 가능한 상황, 해당 상황에 대응하는 하나의 가능한 등가 회로 및 해당 상황에 대응하는 다른 가능한 등가 회로를 도시한다.

본 발명의 상기 및 기타 피처 및 이점을 보다 명확하게 하기 위해, 본 발명은 첨부 도면과 함께 아래에서 더 설명된다. 본 명세서에 주어진 특정 실시형태는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 설명하기 위한 목적으로, 단지 예시적일 뿐 제한적이지 않다는 점을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 열 잉크젯 프린트헤드(thermal inkjet printhead)의 예시적인 레이아웃을 개략적으로 도시한다. 도 1의 열 잉크젯 프린트헤드는 기판(1)을 포함하고, 하나 이상의 컬럼(column)(3)으로 배열된 복수의 히터 저항기(heater resistor)(2)가 그 표면에 제공된다. 열 잉크젯 프린트헤드는 칩(chip)의 형태일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 기판(1)에 의해 운반되는 그러한 다수의 칩은 단일 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)(5)에서 제조될 수 있으며, 상기 단일 실리콘 웨이퍼는 박막 증착(thin film deposition), 포토리소그래피(photolithography), 습식 및 건식 에칭(wet and dry etching) 기법, 이온 주입(ion implantation), 산화 등을 포함하는 적절한 반도체 기술을 사용하여 개별 칩으로 후속적으로 다이싱(dice)된다. 히터 저항기(2)의 컬럼은 잉크 리필링(refilling)을 허용하기 위해 프린트헤드 칩의 내부 부분에 만들어진 관통 슬롯(through-slot)(4)에 매우 근접하게 위치될 수 있다. 각각의 히터 저항기(2)는 저항성 필름으로 제조될 수 있고, 대응하는 전도성 트레이스(들)(trace)와 접촉될 수 있다. 프린트헤드의 주변 영역에는 접촉 패드(contact pad)(6) 세트가 있을 수 있고, 상기 접촉 패드 세트는 일반적으로 TAB(테이프 자동 본딩(Tape Automated Bonding)) 프로세스를 사용하여 가요성 인쇄 회로에 본딩된다. 각각의 히터 저항기는 대응하는 전도성 트레이스(들) 및 대응하는 접촉 패드(들)(6)를 통해 가요성 인쇄 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. 기판(1)의 활성 부분(10)에는, 특히 히터 저항기의 수가 증가함에 따라 히터 저항기와 연관된 전자 레이아웃이 상대적으로 복잡해질 때, 저항기, 하나 이상의 논리 회로(12), 하나 이상의 프로그램 가능 메모리(13) 및 기타 가능한 구성요소의 어드레싱(addressing)을 위한 MOS 트랜지스터(11)의 어레이(array)가 존재할 수 있다. 히터 저항기를 형성하는 저항성 필름 외에, 본 출원의 열 잉크젯 프린트헤드는 다른 층/필름을 포함할 수 있고, 이는 나중에 설명될 것이다.

본 발명을 포함하는 인쇄 조립체(printing assembly)를 도시한 도 3을 참조하면, 가요성 인쇄 회로(7)는 프린트헤드 카트리지 몸체(8)에 부착되고, 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드는 프린트헤드 카트리지 몸체(8)에 장착되고 연결될 수 있다. 가요성 인쇄 회로(7)에는 열 잉크젯 프린트헤드와 함께 사용되는 프린터와 전기 신호를 교환하기 위해 보다 큰 접촉 패드(9)가 제공된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같은 열 잉크젯 프린트헤드는 임의의 적합한 방식으로 프린트헤드 카트리지 몸체(8)에 장착되고 연결될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 영역(14)에서 개략적으로 표현된 바와 같이, 저항성, 전도성 및 유전체 필름의 스택(stack)이 증착되고 패터닝된(patterned), 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드의 기판 표면에, 잉크가 적합한 채널(channel)(15)을 통해 증착된 미세유체 회로에서 유동하고 잉크 토출 챔버(ink ejection chamber)(16)에 도달할 수 있도록 미세유체 회로가 증착되고 실현될 수 있으며, 상기 잉크 토출 챔버(16)의 벽은 대응하는 히터 저항기(2)를 둘러싼다. 채널(15)은 관통 슬롯(4)과 유체 연통(fluid communication)하며, 상기 관통 슬롯(4)은 잉크 저장소(ink reservoir)(도시되지 않음)로 이어질 수 있다. 미세유체 회로는 배리어 층(barrier layer)이라고 하는 적합한 중합체 층(polymeric layer)(17)에 종종 패터닝된다. 예를 들어 플레이트(plate) 형태의 노즐 층(nozzle layer)(18)은 배리어 층 위에 제공된다. 각각 하부의 히터 저항기와 정렬되는 복수의 노즐(19)은 노즐 플레이트(18)를 통해 형성될 수 있고, 노즐로부터 잉크 액적(20)이 토출된다. 열 잉크젯 프린트헤드의 작동 중에 히터 저항기(2)가 활성화되어야 하는 경우, 저항기를 가열하기 위해 짧은 전류 펄스(short current pulse)가 가해지며, 이는 다시 저항기 직상의 얇은 잉크 층의 기화를 유발하여 증기포(vapor bubble)(21)를 형성한다. 기화된 층의 압력이 갑자기 증가하여, 활성화된 저항기 위의 대응하는 노즐로부터 상부 액체 잉크 일부의 토출이 유발된다. 잉크 액적은 매체(예컨대, 종이 조각)를 향해 이동하여 매체 표면에 잉크 점을 생성한다. 그 후, 정상 상태에 도달할 때까지 새 잉크가 잉크 토출 챔버(16)로 흡입되어 토출된 액적을 대체한다.

(줄 효과(Joule effect)를 통해 전류 펄스에 의해 가열된) 히터 저항기(2)로부터 잉크로의 에너지 전달을 최적화하기 위해, 열 유동이 바람직하게는 상부 잉크를 향하여 발생하도록 저항기가 기판으로부터 열적으로 절연되는, 다시 말해, 전기적 누설을 회피하기 위해 얇은 유전체 필름에 의해 저항성 필름 층으로부터 분리되는 것이 필요하다. 기판은 상당한 열 전도율을 갖는 실리콘으로 제조될 수 있으며, 이 경우 기판과 저항기 사이에 충분한 두께의 절연 층(insulating layer)을 삽입하는 것이 필요하고: 즉, 저항기는 기판에 성장 또는 증착된 적합한 절연 층 위에 증착되어야 한다. 고온 프로세스로 생산된 열적 성장 실리콘 산화물과 BPSG(붕소 인 실리콘 유리(Boron Phosphorus Silicon Glass))는 모두 저항기의 단열재로 적합하고 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 재료의 성장 또는 증착 및/또는 어닐링(annealing)을 위한 온도는 프린트헤드의 히터 저항기의 작동 온도보다 높기 때문에 프린트헤드의 정상 작동 동안 안정적으로 유지될 것이다.

프린트헤드의 작동 동안 급격하고 큰 온도 변화를 겪는 저항성 필름은 안정된 특성과 열-기계적 응력에 대한 양호한 저항성을 가져야 한다. 통상적으로 히터 저항기(2)의 저항 값은 수십 옴이며; 상이한 형상 및 상이한 저항 값이 채택될 수 있지만 약 30옴의 저항을 갖는 사각 형상의 히터 저항기가 종종 채택된다. 히터 저항기에 대한 광범위하고 오래 지속되는 선택은 탄탈륨-알루미늄 합금(Tantalum-Aluminum alloy)으로 제조된 복합 필름(composite film)이며: 약 900 옹스트롬의 필름 두께는 단위 면적당 30옴의 시트 저항(sheet resistance)을 제공하고, 즉, 이러한 필름으로 제조된 사각 형상의 저항기는 30옴의 저항을 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 히터 저항기는 U자형 히터 저항기이며, 이는 상이한 전압으로 바이어스된(biased) 인접한 도체들 사이에 갭(gap)이 있음을 의미한다.

다수의 히터 저항기를 어드레싱하고 구동하기 위해 다양한 알려진 해결방안이 이용 가능하다. 프린트헤드의 노즐 수가 수십 개로 상대적으로 적은 경우 각 히터 저항기는 전기적 트랙을 통해 대응하는 접촉 패드에 직접 연결될 수 있지만, 전류의 회수는 보편적으로 하나 또는 수개의 접지 패드(ground pad)에 의해 수집될 수 있다. 노즐의 수가 증가함에 따라, 저항기를 어드레싱하기 위해 많은 수의 접촉 패드를 필요로 하는 직접 개별 구동은 실현하기 곤란하며: 실제로, 패드는 일반적으로 프린트헤드 칩의 외부 경계를 따라 분포되고 그 수는 아무런 제한 없이 증가될 수 없다. 보다 실용적인 해결방안은 어드레싱 매트릭스를 채택하는 것이며, 이는 감소된 수의 접촉 패드를 사용하여 많은 수의 저항기를 구동할 수 있게 한다. 어드레싱 매트릭스는, 바람직하게는, 복수의 MOS 트랜지스터로 실현되며, MOS 트랜지스터 각각은 결정된 히터 저항기와 전기적으로 소통한다. 개별 히터 저항기는 요청 시 활성화되어 프린트헤드로부터의 잉크 액적 토출을 유발할 수 있도록 트랜지스터 매트릭스의 전극에 적합한 방식으로 연결될 수 있다.

위에서 시사된 바와 같이, 히터 저항기 위의 유전체 층은 잉크에 전기적 절연을 제공하며: 일반적으로 질화 규소(silicon nitride) 필름은 단독으로 또는 탄화 규소(silicon carbide)와 조합하여 이러한 목적을 위해 유전체 층을 형성하는 데 사용된다. 유전체 층을 위한 절연 필름은 기포 붕괴로 인한 충격은 물론 프린트헤드의 작동 중 받게되는 열-기계적 응력을 견디면서 강한 열 유동을 허용할 수 있을 만큼 충분히 얇아야 한다. 본 발명에 따르면, 유전체 층은 두께가 적어도 4000 옹스트롬(0.4 ㎛)이고, 그리고 최대 6500 옹스트롬(0.65 ㎛)인 질화 규소 및 탄화 규소로 제조되는 복합 필름이다. 실제로 히터 저항기의 가열로 인한 증기포의 급격한 팽창은 기포의 내부 압력을 외부 대기압보다 훨씬 낮은 레벨로 크게 감소시키는데 영향을 미친다. 기포의 최대 팽창에서, 기포는 그 하측 부분은 잉크 토출 챔버의 바닥에 의해 제한되고 잉크에 의해 둘러싸인, 내부 압력이 낮은 캐비티(cavity)가 됨으로 판명된다. 보다 큰 외부 대기압은 캐비티 위에 있는 액체 잉크를 압박하여 챔버의 바닥에 대해 극심한 충격을 유발한다. 잉크에서 앞서 형성된 캐비티의 붕괴로 인한 이러한 충격은 챔버의 바닥을 구성하는 필름, 즉, 저항성 필름과 상부의 절연 필름을 손상시킬 수 있다. 종종 얇은 절연 필름은 충분히 강하지 않아, 예를 들어, 탄탈륨과 같은 내화 금속(refractory metal)으로 제조된 캐비테이션 층(cavitation layer)이라고 하는 추가 보호성 필름이 절연 필름 위에 증착된다. 탄탈륨 필름은 열 전도성이 있으며, 추가 층이 존재하더라도 저항성 필름으로부터 잉크를 향한 강한 열 플럭스(heat flux)가 유지된다. 본 발명에 따르면, 캐비테이션 층을 위한 신규한 배열이 제안된다. 해당 개념은 그 기능에 영향을 미치지 않고 캐비테이션 층의 필름 표면적을 감소시키는 것이다. 특히, 캐비테이션 층은 복수의 분리된 캐비테이션 아일랜드(island)로 구성될 수 있고, 그 각각은 히터 저항기 중 대응하는 것 위에 패터닝된다. 이러한 캐비테이션 층은 도 7을 참조하여 나중에 더 설명될 것이다.

저항성 층, 유전체 층 및 캐비테이션 층을 포함하는 도 5의 영역(14)의 개략도는 도 6의 단면도에서 더 상세히 관찰될 수 있다. 배리어 층(17) 아래에 캐비테이션 층(22)이 있고, 상기 캐비테이션 층(22)은 보호물로서 유전체 필름(23) 위에 증착된다. 도시된 히터 저항기 영역에서, 유전체 필름(23)은 저항성 필름(24) 위에 직접 배치됨과 함께 전도성 금속 라인(conductive metal line)(25)이 실현되는 히터 저항기 바로 외부에서 유전체 필름(23)이 도체 위에 증착된다. 바람직한 실시형태에서, 캐비테이션 층은 탄탈륨으로 제조되지만, 다른 선택이 행해질 수 있고, 그러한 선택은 당해 기술 분야에 공지된 것일 수 있다.

도 7은 도 1의 열 잉크젯 프린트헤드의 일부를 개략적으로 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 일련의 히터 저항기(2)는, 각각의 히터 저항기(2)가 배리어 층(17)의 2개의 수직 벽에 의해 규정되는 잉크 토출 챔버에 하우징(house)되도록, 배리어 층(17)에 의해 둘러싸인다. 잉크는 관통 슬롯(4)의 에지(edge)(26)로부터 채널(15)을 통해 잉크 토출 챔버를 향해 유동한다. 이 실시형태에서, 슬롯 에지는 직선이지만, 히터 저항기 모두에 대한 리필링 시간을 균등화하기 위해 히터 저항기의 엇갈린 배치를 따르는 에지 형상이 채택될 수 있다.

도 7에서, 공동으로 캐비테이션 층을 함께 구성하는 복수의 캐비테이션 아일랜드(33)가 도시된다. 이러한 캐비테이션 층은 분할 캐비테이션 층 또는 세그먼트화된(segmented) 캐비테이션 층으로 지칭될 수 있고, 각각의 캐비테이션 아일랜드는 또한 캐비테이션 세그먼트로 지칭될 수 있다. 이들 캐비테이션 아일랜드(33)는 서로로부터 분리된다. 각각의 캐비테이션 아일랜드(33)는 단일의 상이한 히터 저항기(2)에 대응하고 이를 덮으며, 그 면적은 캐비테이션 아일랜드(33)에 의해 덮인 저항기의 면적보다 클 수 있다. 각각의 캐비테이션 아일랜드(33)는 탄탈륨 조각으로 구성될 수 있지만, 다른 적합한 재료, 특히 내화 전도성 재료가 사용될 수 있다.

하나의 바람직한 실시형태에서, 캐비테이션 아일랜드(33)는 플로팅(floating) 상태로, 즉, 임의의 전압원에 연결되지 않을 수 있다.

각각의 캐비테이션 아일랜드(33)는 그것의 이웃하는 회로(29)와 오로지 작은 중첩 면적(overlapping area)을 가지며, 따라서 캐비테이션 층의 존재로 인한 기생 용량성 커플링(parasitic capacitive coupling)이 생성될 가능성은 종래 기술과 비교하여 극적으로 감소된다. 더욱이, 세그먼트화된 캐비테이션 층에 의해 덮인 전체 면적이 상대적으로 작기 때문에 캐비테이션 층과 캐비테이션 아일랜드 직하에 있는 하부 금속 라인 사이의 유전체 층에 원치 않는 가능한 핀홀(pinhole) 또는 불연속성을 가질 확률 또한 극적으로 감소될 수 있다. 게다가, 신규한 레이아웃을 사용하는 것은 캐비테이션 층과 하부 논리 회로 사이의 거리가 늘어나는데 도움이 되어 가능한 기생 정전용량과 용량성 커플링을 감소시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이 세그먼트화된 캐비테이션 층을 사용하는 것은 프린트헤드의 신뢰성을 향상시키고 실질적으로 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 결과적으로 제조 프로세스의 수율을 증가시킬 수 있다.

세그먼트화된 캐비테이션 층의 존재는 그 위에 배리어 층(17)이 증착되는 표면을 다소 러프(rough)하게 만들 수 있지만, 배리어 층의 증착 및 후속 패터닝이 어떻게든 수행될 수 있어, 저항기 어레이의 부근에 평탄한 표면 및 양호한 부착력을 제공할 수 있다.

전술한 내용을 포함하는 위의 세그먼트화된 캐비테이션 층을 채택한 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드가 종래 기술에 비해 갖는 이점은 다음의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 8은 종래 기술의 열 잉크젯 프린트헤드 디바이스의 일부를 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 일련의 히터 저항기(102)가 배리어 층(117)에 의해 둘러싸이며, 배리어 층(117)의 수직 벽은 히터 저항기에 대응하는 잉크 토출 챔버의 경계를 획정한다. 잉크는 관통 슬롯(104)의 에지(126)로부터 채널(115)을 통해 챔버를 향해 유동한다.

점 영역(dotted region)에 의해 개략적으로 표현되는, 연속적인 캐비테이션 층(122)의 전방 에지(front edge)(127)는 슬롯 형성 프로세스가 층을 손상시키는 것을 방지하기 위해 슬롯 에지(126)로부터 일정 거리에 배치된다. 캐비테이션 층 아래의 유전체 층(도시되지 않음)에 대해서도 동일한 주의가 취해진다. 언급된 층들의 에지가 반드시 일치될 필요는 없으며: 유전체 층의 에지가 캐비테이션 층의 에지보다 슬롯 에지(126)에 보다 가까울 수 있고 또는 디바이스의 신뢰성에 영향을 미치지 않으며 그 반대의 경우가 발생할 수 있다. 캐비테이션 층(122)의 후방 에지(rear edge)(128)는 저항기(102) 뒤에 배치된다. 그러한 구현에 대한 수개의 이유가 있으며: 탄탈륨의 캐비테이션 층은 일반적으로 상부 배리어 층에 우수한 부착력을 제공하고, 이는 디바이스의 정확한 성능을 보장하기 위해 챔버 주변과 인접한 챔버들 사이의 기밀성(hermeticity)이 가장 중요한 영역에서 매우 요구된다. 날카로운 에지가 없는 매끄러운 지형은 고분자 배리어 층의 증착 및 패터닝을 보다 쉽게 렌더링(render)하기 때문에 이 부착력은 디바이스의 토출 영역 근처의 탄탈륨 층의 표면 연속성에 의해 훨씬 더 개선된다.

그럼에도 불구하고, 다음에서 도시될 바와 같이, 탄탈륨 캐비테이션 층(122)에 의해 덮인 넓은 영역으로부터 발생하는 결점이 있다.

프린트헤드 디바이스는 파선 영역(dashed region)에 의해 개략적으로 표현된 적합한 전기 회로(129)를 통해 제어되고 전력이 공급되며, 상기 전기 회로(129)는 토출 영역에 매우 근접하여 있어 탄탈륨 캐비테이션 층에 의해 부분적으로 중첩되지만, 회로와 캐비테이션 층은 질화 규소 및 탄화 규소로 제조되는 삽입된 유전체 층에 의해 분리된다.

얇은 유전체 층에 의해 분리되는 하부 전기 회로의 금속 라인과 탄탈륨 캐비테이션 층은 비록 그 목적을 위해 설계되지는 않았지만 복수의 커패시터로서 함께 작용한다. 이러한 기생 커패시터는 디바이스의 전기 회로에 속하지 않지만, 그럼에도 불구하고 주로 정교한 논리 회로가 존재하는 경우 디바이스 거동에 예상치 못하며 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 디바이스 전반에 걸친 기생 커패시터의 존재는, 전도성 부품이 작은 간격에 의해 분리되어 나란히 있거나 절연 층을 사이에 두고 적층됨으로 인한 전도성 부품의 근접성 때문이다. 제조 프로세스에 대한 비용 요구조건은 설계자가 전기적 구성요소의 표면 밀도를 증가시키도록 하고, 이는 다시 기생 효과가 발생하기 쉬운 위험을 더 수반하기 때문에 모놀리식(monolithic) 전자 디바이스에서 기생 효과의 존재를 회피하는 것은 곤란하다.

탄탈륨 캐비테이션 층의 넓은 표면으로 인해, 탄탈륨 플레이트 자체에 의해 중첩될 수 있는 하부 레벨에 속하는 다수의 전도성 라인이 있으며, 따라서 상측 전극으로서 상측 탄탈륨 플레이트를 갖는 다수의 기생 커패시터 또한 존재한다. 하측 전도성 라인은 디바이스의 작동 모드에 따라 시간과 함께 동적으로 변하는 전압 레벨에서 스스로를 발견할 수 있기 때문에, 전압 정류(voltage commutation) 중에 하측 레벨의 상이한 도체들 사이에서 일부 용량성 커플링이 유발될 수 있다.

예시로서, 도 9a에서 상황이 단면도로 도시되고: 2개의 전도성 라인(130 및 131)이 있으며, 상기 2개의 전도성 라인은 반드시 함께 밀접할 필요는 없다. 2개의 라인 모두 유전체 층(123)에 의해 덮이고, 이는 다시 넓은 연속적인 캐비테이션 층(122)에 의해 중첩된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 특정 시각에, 도체로 또한 지칭되는 전도성 라인(130 및 131)이 전압 V1 및 V2로 개별적으로 설정될 수 있고, 도 9b는 이 상황에 대응하는 단순화된 등가 회로를 도시한다. 도 9b에서, 탄탈륨 층(122)을 통한 전도성 경로의 저항 값 RT뿐만 아니라 전도성 라인(130 및 131)의 저항 값 R1 및 R2도 고려된다.

도 9b의 모델에 따르면, 전압 V1의 값이 계단형 파형에서와 같이 급격한 변화 △V를 겪으면 도체(131)에 대응하는 커패시터 C2의 하측 플레이트에 급격한 섭동(perturbation)이 유발된다. 도체(131)에 대한 섭동의 매그니튜드(magnitude) 및 트렌드(trend)가, △V와 비교하여, 저항 값 R1, R2 및 RT뿐만 아니라 커패시터 C1 및 C2의 용량성 값에 의존한다는 점은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 일반적으로, 전압 V1이 변화한 직후 커패시터가 급격한 전압 변동에 대해 단락 회로처럼 거동하기 때문에 도 9b에 도시된 저항 값 R1 및 R2를 갖는 저항기에 걸쳐 급격한 변화 △V가 배분된다. 따라서 R1 및 RT << R2인 경우, 급격한 변화 △V는 처음에, 도체(131)로 거의 완전히 전달될 것으로 판명된다. 후속적으로, 커패시터의 플레이트에 대한 점진적 전하 축적으로 인해 시스템은 섭동의 매그니튜드가 거의 제로로 떨어지는 특정 기간 후 새로운 정상 상태에 도달하는 경향이 있고: 기생 커패시터 C1 및 C2의 정전용량 값이 클수록 섭동의 지속 시간이 길어진다.

예를 들어, 도체(131)가 MOS 트랜지스터의 게이트(gate)에 연결될 때 유사한 상황이 발견될 수 있다. 대부분의 경우에서, 회로의 트랜지스터 게이트는 플로팅 상태로 남아 있지 않으며, 전도성 층의 저항 값보다 저항 값이 현저히 큰 풀-다운(pull-down) 또는 풀-업(pull-up) 저항기를 통해 접지에 연결될 수 있고; 따라서 조건 R1 및 RT << R2가 충족된다. 전압 V1에서의 급격한 변화는, 게이트 전극에 대한 섭동이 충분히 오래 지속되는 경우, 트랜지스터 상태의 원치 않는 정류로 이어질 수 있다. 이는 주로 교란된 게이트가 논리 회로의 일부이고, 일부 바람직하지 않은 작동이 이러한 전기적 방해로 인해 트리거될(triggered) 수 있는 경우, 디바이스에서 오작동을 일으킬 수 있다. 더욱이, 통상적으로 논리 회로의 전력 공급은 3 내지 5볼트의 범위에 있는 반면, 프린트헤드에서 노즐 히터 저항기에 에너지를 공급하는 전력 라인은 종종 10볼트보다 높은 전압에서 바이어스되기 때문에 논리 트랜지스터에 기생적으로 커플링된 전력 라인에서의 급격한 전압 변화는 게이트에 대한 방해가 △V에 대해 감쇠되더라도 논리 트랜지스터에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

히터 저항기로부터 잉크로의 열 전달의 효율성은 얇은 유전체 층을 이용하기 때문에 기생 커패시터 C1 및 C2의 용량성 값을 낮추기 위해 유전체 층(123)의 두께를 증가시키는, 다시 말해 섭동 지속 시간을 감소시키는 것은 권장되지 않는다. 다른 한편으로, 히터 저항기 영역과 뒤에 있는 회로에 대해 2개의 상이한 두께의 유전체 층을 사용하는 것은 제조 프로세스의 복잡성을 나타내고 따라서 비용이 상승한다.

이 문제를 해결하기 위한 가능한 해결방안은 도 9c에 도시된 바와 같이, 기생 커패시터를 서로로부터 디커플링(decouple)시키기 위해 탄탈륨 캐비테이션 층을 접지에 연결함으로써 획득될 수 있고, 탄탈륨 캐비테이션 층으로부터 접지로의 전도성 경로의 저항 값 RT' 및 RT''가 도 9c에 반영된다. 이 구현은 캐비테이션 층과의 용량성 커플링으로 인해 유발되는 누화(cross-talking)를 감소시키는 데 매우 효과적인 것으로 판명되지만; 그럼에도 불구하고 이 구현은 다른 결점을 겪을 가능성을 증가시키기 쉽다.

사실, 디바이스의 제조 동안, 증착, 패터닝 및 에칭과 같은 다수의 프로세스가 서로 뒤따르고 종종 디바이스의 층에서 일부 결함의 존재를 회피하는 것이 불가능하다. 예를 들어, 에칭 프로세스 후 표면에 레지듀얼(residual) 입자가 남아 있으면, 이들은 직상에 증착되는 후속 층의 무결성을 손상시킬 수 있다. 이 층이 유전체 필름인 경우, 핀홀 또는 재료가 부족한 상태의 구역이 필름 표면 전체에 걸쳐 발생하여 절연의 균일성을 손상시킬 수 있다. 전도성 층이 결함이 있는 유전체 층 위에 증착되면 전도성 재료의 일부가 필름에 있는 구멍을 통해 침투할 수 있으며, 최악의 경우, 절연 유전체 층 자체 아래에 배치된 전도성 트랙(들)과 접촉할 수 있다. 이는 종래 기술에 따른 연속적인 캐비테이션 층의 경우와 같이 상측 전도성 층이 넓은 표면적을 덮을 때 발생할 가능성이 높고: 도 10a에 도시된 바와 같이, 넓은 중첩 면적은 탄탈륨이 유전체 필름의 일부 관통-홀(through-hole), 이는 다시, 전도성 트랙 바로 위를 인터셉트(intercept)할 확률을 증가시킨다.

도 10a는 중간 유전체 층(123)에서의 결함, 특히 관통-홀이 최상부 캐비테이션 층의 재료로 채워져 하부 전도성 트랙(130)을 향한 전도성 브리지(conductive bridge)(132)를 생성하는 층 스택의 단면도를 도시한다. 이 결함은 단락 회로로서 작용하거나 적어도 결함이 없는 디바이스에서 전기적으로 절연되어야 하는 2개의 전도성 층 사이의 저항 경로로서 작용할 것이다. 캐비테이션 층이 플로팅 상태로 남아 있는지 또는 접지에 연결되어 있는지 여부에 따라 이 상황에 대응하는 등가 회로가 도 10b 또는 도 10c에 도시된 바 같을 수 있다. 금속 캐비테이션 층과 하부 금속 트랙(130) 사이의 전도성 브리지(132)는 저항기 RB로 표현된다.

도 10b에 표현되는 경우에서, 전체 플로팅 캐비테이션 층은 도체(130)에 인가된 것과 동일한 전위 V1이 된다. 캐비테이션 층과 하부 회로 사이의 기생 용량성 커플링은, 전압 V1이 가변량인 경우에도 전압 V1이 탄탈륨 캐비테이션 층에 직접 영향을 미치기 때문에 더욱 강해진다. 또한 잉크는 때때로 일정량의 전기 전도성을 나타내기 때문에 유전체 필름에서의 결함으로 인해 다른 전기적 문제가 디바이스 회로에 걸쳐 퍼질 수 있고; 더욱이, 잉크와 연관된 전기화학적 효과가 또한 발생할 수 있어, 아마도 대부분의 실리콘 다이(silicon die)를 통한 전류 경로가 폐쇄될 수 있다.

한편, 탄탈륨 캐비테이션 층으로부터 접지로의 전도성 경로의 저항 값 RT' 및 RT''가 도시된, 도 10c에 예시되는 경우에서, 캐비테이션 층에서의 전압은 접지에 고착되고, 이는 탄탈륨 필름과 연관된 용량성 커플링의 가능한 효과를 억제하거나 크게 감소시킨다. 그러나 전압 V1이 (접지 전위 값으로 추정되는) 제로와 상이하다면, 디바이스 무결성에 해로운 영향을 미치는 단락 회로 또는 낮은 저항률 전류 경로가 설정될 것이고: 대부분의 경우에서, 제조 중에 수행되는 디바이스의 전기적 테스트 동안 이러한 문제가 감지될 수 있으며, 이는 결국 디바이스의 불합격을 초래하여 제조 프로세스의 수율을 감소시킬 수 있다.

요약하면, 종래 기술의 열 잉크젯 프린트헤드에서 넓고 연속적인 캐비테이션 층의 존재는 그 전기적 상태가 무엇이든 여러 위태로운 측면을 수반한다. 한편, 프린트헤드의 작동 동안 증기포의 붕괴에 의해 토출 영역의 필름이 손상되는 것을 방지할 필요가 있다.

대조적으로, 전술한 바와 같이, 캐비테이션 층의 신규 레이아웃을 채택하는 본 발명의 해결방안을 통해 캐비테이션 층의 존재는 저항 어레이의 히터 저항기만을 포함하는 보다 작은 영역에서만 유지되고, 캐비테이션 층의 필름 표면적은 극적으로 감소된다. 감소된 필름 표면적으로 인해 캐비테이션 층이 그 아래에 있는 유전체 필름의 가능한 결함과 중첩될 가능성이 적고, 즉, 유전체 필름에서의 결함이 캐비테이션 층 직하에 배치되어 일부 전기적 단락 회로를 유발할 확률이 감소된다. 다른 한편으로, 신규한 레이아웃을 사용하는 것은 캐비테이션 층과 하부 논리 회로 사이의 거리를 늘리는 데 도움이 된다. 캐비테이션 층의 면적이 작을수록 그리고 캐비테이션 층과 주요 논리 회로 사이의 거리가 멀수록 기생 정전용량을 감소시키는 데 도움이 된다. 따라서, 본 발명의 열 잉크젯 프린트헤드는 보다 견고하고 원치 않는 전기적 간섭에 덜 취약하다.

전술된 다양한 기술적 피처는 임의로 조합될 수 있다. 이러한 기술적 피처의 가능한 조합이 모두 설명되지는 않았지만 이러한 기술적 피처의 임의의 조합이 그러한 조합에 대해 상충이 없다면 본 명세서에 의해 포괄되는 것으로 간주되어야 한다.

본 발명이 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당해 기술 분야의 통상의 기술자라면 위의 설명 및 도면이 제한적이 아니라 단지 예시적이며, 본 발명이 개시된 실시예에 제한되지 않는다는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 사상으로부터 일탈하지 않고서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (11)

1. 열 잉크젯 프린트헤드(thermal inkjet printhead)로서, 상기 열 잉크젯 프린트헤드는:
   기판(1);
   노즐 층(18) - 상기 노즐 층(18)은 당해 노즐 층(18)을 관통하여 형성된 복수의 노즐(nozzle)(19)을 포함함 - ;
   상기 복수의 노즐(19)에 대응하는 복수의 잉크 토출 챔버(ink ejection chamber)(16);
   상기 기판(1)에 형성되고 상기 복수의 잉크 토출 챔버(16)에 대응하는 복수의 히터 저항기(heater resistors)(2) - 상기 히터 저항기(2) 각각은, 상기 노즐(19) 각각을 통한 잉크 액적 토출이 상기 대응하는 잉크 토출 챔버(16)에 위치하는 상기 히터 저항기(2) 중 하나의 가열에 의해 유발되도록, 상기 잉크 토출 챔버(16) 중 상이한 것에 위치됨 -;
   상기 복수의 히터 저항기(2)에 형성되고 이에 대응하는 복수의 분리된 캐비테이션 아일랜드(cavitation island)(33) - 상기 캐비테이션 아일랜드(33) 각각은 상기 히터 저항기(2) 중 상이한 것을 덮음 -; 및
   상기 히터 저항기(2)와 상기 캐비테이션 아일랜드(33) 사이에 삽입된 유전체 층(23) - 상기 유전체 층(23)은 질화 규소(Silicon nitride)와 탄화 규소(Silicon carbide)로 제조되며 약 0.4 내지 약 0.65μm의 범위에서의 두께를 가지는 복합 필름(composite film)임 - 을 포함하는, 열 잉크젯 프린트헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 히터 저항기(2)는 U자형 히터 저항기인, 열 잉크젯 프린트헤드.
3. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 아일랜드(33) 각각은 내화 금속 필름(refractory metal film)으로 제조되는, 열 잉크젯 프린트헤드.
4. 제3항에 있어서, 상기 내화 금속 필름은 탄탈륨 필름(Tantalum film)인, 열 잉크젯 프린트헤드.
5. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 아일랜드(33) 각각은 상기 히터 저항기(2) 중 상기 대응하는 것을 완전히 덮을 수 있을 만큼 충분히 크면서도 최소화된 표면적을 갖는, 열 잉크젯 프린트헤드.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 캐비테이션 아일랜드(33) 위에 그리고 상기 노즐 층(18) 아래에 형성되는 배리어 층(barrier layer)(17)을 더 포함하고,
   상기 잉크 토출 챔버(16)는 상기 배리어 층(17)에 의해 규정되는, 열 잉크젯 프린트헤드.
7. 제6항에 있어서, 상기 배리어 층(17)은 상기 복수의 잉크 토출 챔버(16)에 대응하는 복수의 잉크 채널(15) - 상기 잉크 채널(15) 각각은 상기 잉크 토출 챔버(16) 중 상이한 것으로 이어짐 - 을 형성하도록 패터닝되는(patterned), 열 잉크젯 프린트헤드.
8. 제1항에 있어서,
   상기 기판(1)과 상기 히터 저항기(2) 사이에 삽입된 절연 층(insulating layer)을 더 포함하는, 열 잉크젯 프린트헤드.
9. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 아일랜드(33) 각각은 플로팅(floating) 상태인, 열 잉크젯 프린트헤드.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열 잉크젯 프린트헤드를 포함하는, 인쇄 조립체(printing assembly).
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열 잉크젯 프린트헤드를 포함하는, 인쇄 장치(printing apparatus).

Images