JP5309375B2 - インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関し、さらに詳細には、圧力チャンバの空間を減らすための突出部を備えてインクジェットプリントヘッドの駆動電圧を低めることができ、突出部をＳＯＩウエハーからなる下部基板の上部シリコン層に形成して、製造工程を簡素化したインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。
一般的にインクジェットプリントヘッドは、電気信号を物理的な力に変換して小さいノズルを通じてインクが微小な液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）の形態に吐出されるようにする構造体である。このようなインクジェットプリントヘッドはインク吐出方式によって様々な方式に分けられるが、特に圧電体を用いてインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドが最近、産業用インクジェットプリンターにおいて広く用いられている。
例えば、フレキシブル印刷回路基板（ＦＰＣＢ）上に金、銀などの金属を溶かして作ったインクを噴射して回路パターンを直接形成させたり、産業グラフィックや液晶ディスプレー（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の製造及び太陽電池などに用いられる。
このような圧電方式のインクジェットプリントヘッドにおいて、産業用インクの粘度は一般ＯＡ用インクより大きいため、求める速度及びボリュームの液滴を吐出するためには高い駆動電圧を要する。
従って、本発明は上述のような従来技術の問題点を解決するために、圧力チャンバの空間を減らすための突出部を備えて、求める速度やボリュームの液滴を吐出するための駆動電圧を低めることができるインクジェットプリントヘッド及びその製造方法を提供することをその目的とする。
また、本発明は上記突出部をＳＯＩウエハーからなる下部基板の上部シリコン層に形成することにより、製造工程を簡素化することができるインクジェットプリントヘッド及びその製造方法を提供することを他の目的とする。
本発明によるインクジェットプリントヘッドは、圧力チャンバが形成される上部基板、及び上部シリコン層、絶縁層、及び下部シリコン層を含む下部基板を含み、前記下部基板は前記上部シリコン層からなって、前記圧力チャンバの空間を減らすために前記圧力チャンバ内に突出される突出部を含み、前記上部基板の底面と前記下部基板の前記下部シリコン層の上面が固定されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記上部基板は、第１シリコン層、中間酸化膜、及び第２シリコン層が順に積層されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーからなることができる。この際、前記突出部は高さが前記第１シリコン層の厚さより小さく形成されることが好ましい。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記下部基板はインク流入口から流入されるインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド、及び前記圧力チャンバとノズルの間に形成されるダンパーを含むことができる。この際、前記マニホールド及び前記ダンパーのうち少なくとも一つは側面が傾斜して形成されたり、底面と垂直に形成されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記マニホールドと前記圧力チャンバの間に前記圧力チャンバから前記マニホールドへのインクの逆流を防止するリストリクターが形成され、前記リストリクターは前記突出部の前記マニホールド側の側面と前記圧力チャンバの前記マニホールド側の側面によって形成されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記絶縁層は前記下部シリコン層の表面を酸化させて形成される酸化膜からなることができる。
一方、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法は、上部基板に圧力チャンバ溝を形成する段階、下部シリコン層、絶縁層、及び上部シリコン層を順に積層して下部基板を準備する段階、前記上部シリコン層で、前記圧力チャンバ溝内に配置される突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階、及び前記突出部が前記圧力チャンバ溝の空間上に配置されるように、前記上部基板の底面と前記下部基板の絶縁層を固定する段階を含むことができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記上部基板の底面と前記下部基板の絶縁層を固定する段階は、シリコン直接接合（ＳＤＢ）によってなされることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法は、インク流入口に流入されたインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド及び前記圧力チャンバとノズルの間のインク流路であるダンパーを形成するために、前記下部基板をエッチングする段階をさらに含むことができる。この際、前記マニホールド及び前記ダンパーを形成するために前記下部基板をエッチングする段階は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方法によって遂行されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記下部基板をエッチングする段階は、前記マニホールド及び前記ダンパーのうち少なくとも一つの側面が傾斜するようにエッチングしてなされることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記上部シリコン層で前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方法によって遂行されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記上部シリコン層で前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、テトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ：Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた湿式エッチング方法によって遂行されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記上部シリコン層で前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、前記絶縁層をエッチング停止層として遂行されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記上部基板はＳＯＩウエハーからなり、前記上部基板に圧力チャンバ溝を形成する段階は前記ＳＯＩウエハーの中間酸化膜をエッチング停止層として遂行されることができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記下部基板を準備する段階は、前記下部シリコン層に、インク流入口に流入されたインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド及び前記圧力チャンバとノズルの間のインク流路であるダンパーを形成するように、前記下部シリコン層をエッチングする段階、前記下部シリコン層の上面に前記絶縁層を形成する段階、及び前記絶縁層の上部に前記上部シリコン層を積層する段階を含むことができる。
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記絶縁層を形成する段階は前記下部シリコン層の表面を酸化させてなされることができる。
本発明によるインクジェットプリントヘッド及びその製造方法によると、圧力チャンバ内に突出部を備えて圧力チャンバの空間を減らすことにより、求める速度やボリュームの液滴を吐出するためのインクジェットプリントヘッドの駆動電圧を低めることができる。
また、下部基板としてＳＯＩウエハーを用いて、前記突出部をＳＯＩウエハーの上部シリコン層によって形成することにより、インクジェットプリントヘッドの製造工程を簡素化することができる。
以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明の思想は提示される実施形態に制限されず、本発明の思想を理解する当業者は同一の思想の範囲内にて他の構成要素を追加、変更、削除等によって、退歩的な他の発明や本発明の思想の範囲内に含まれる他の実施形態を容易に提案することができるが、これもまた本発明の思想の範囲内に含まれるとすべきであろう。
また、各実施形態の図面に示す同一の思想の範囲内の機能が同一の構成要素は、同一または類似の参照番号を用いて説明する。
図１は本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドを部分切断して示した分解斜視図であり、図２は本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの垂直断面図であり、図３は本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの上部基板にインク流路を形成する方法を示す工程図であり、図４は本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する段階を示す工程図である。
図１から図４を参照すると、本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドは、インク流路が形成される上部基板１００及び下部基板２００と、上部基板１００の上面に形成される圧電アクチュエーター１３０を含む。
上部基板１００には、インクが流入されるインク流入口１１０及び多数の圧力チャンバ１５０が形成されることができる。この際、上部基板１００は単結晶シリコン基板や、二つのシリコン層の間に絶縁層が形成されるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーであることができる。上部基板１００がＳＯＩウエハーである場合、圧力チャンバ１５０の高さはＳＯＩウエハーの二つのシリコン層のうち下部のシリコン層の厚さと実質的に同一にすることができる。
圧電アクチュエーター１３０は圧力チャンバ１５０に対応するように上部基板１００の上部に形成され、圧力チャンバ１５０に流入されたインクをノズル２５０に吐出するための駆動力を提供する。例えば、圧電アクチュエーター１３０は、共通電極の役割をする下部電極、電圧の印加によって変形される圧電膜、及び駆動電極の役割をする上部電極を含んで構成されることができる。
下部電極は上部基板１００の全表面に形成されることができ、一つの導電性金属物質からなることができるが、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）からなる二つの金属薄膜層で構成されることが好ましい。下部電極は共通電極の役割だけでなく、圧電膜と上部基板１００の間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割もするようになる。圧電膜は下部電極上に形成され、多数の圧力チャンバ１５０夫々の上部に位置するように配置される。このような圧電膜は圧電物質、好ましくはＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミックス材料からなることができる。上部電極は圧電膜上に形成されて、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ及びＣｕなどの物質のうち何れか一つの物質からなることができる。この際、上部電極はＰＺＴペーストをスクリーンプリンティングした後、続いてＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーンプリンティングしてともに焼結して製作することもできる。
本実施例では圧電アクチュエーター１３０を用いた圧電駆動方式によってインクが吐出される構成を例として説明しているが、インク吐出方式によって本発明が制限されたり限定されるのではなく、要求される条件によって熱駆動方式などの多様な方式でインクが吐出されるように構成されることができる。
下部基板２００には、インク流入口１１０に流入されるインクを多数の圧力チャンバ１５０夫々に移送するマニホールド２１０、インクを吐出する多数のノズル２５０、圧力チャンバ１５０とノズル２５０の間に形成されるダンパー２４０が構成されることができる。マニホールド２１０とダンパー２４０は側面が傾斜して形成されることができ、上部から下部に行くほど水平断面が小さくなるように形成されることができる。ここで、水平断面とはインクジェットプリントヘッドの設置面に平行な断面を意味する。
下部基板２００は単結晶シリコン基板やＳＯＩウエハーからなることができ、下部シリコン層２０１、絶縁層２０２及び上部シリコン層２０３が順に積層してなされるＳＯＩウエハーであることが好ましい。単結晶シリコン基板を用いる場合、突出部を除いた部分を湿式または乾式でエッチングすると、上部基板とのシリコン直接接合（ＳＤＢ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ）時に要求されるシリコン基板の表面粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を得ることができないためである。
下部シリコン層２０１の一部及び絶縁層２０２にマニホールド２１０とダンパー２４０が形成され、下部シリコン層２０１の一部にノズル２５０が形成されることができる。また、上部シリコン層２０３には圧力チャンバ１５０の空間内に配置される突出部２３０が形成されることができる。
突出部２３０は水平断面が長方形の形態からなることができ、これは例示的なものであり、他に平行四辺形または長い六角形など、圧力チャンバ内に挿入することができる多様な形態からなることができる。また、突出部２３０の高さも要求される設計条件によって圧力チャンバ１５０の空間内に配置されることができる限度内で多様な高さに設計されることができる。例えば、上部シリコン層２０３の厚さと実質的に同一に形成されることができ、要求される圧力チャンバ１５０の高さによって１０〜１００μｍ内で形成されることができる。この際、他のインク流路構成との関係でパターニングに問題がなければ突出部の高さを１００μｍ以上にすることも可能である。
マニホールド２１０と圧力チャンバ１５０の間にはインクが吐出される時に圧力チャンバのインクがマニホールドに逆流することを抑制するために、多数のリストリクター２２０が形成されることができる。具体的に、リストリクター２２０は、圧力チャンバ１５０のマニホールド２１０側の側面と突出部２３０のマニホールド２１０側の側面によって形成されることができる。
以下、上述の構成を有した本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドを製造する方法を説明する。
まず、本発明の好ましい製造方法を概略的に説明すると、上部基板及び下部基板にインク流路を形成し、下部基板上に上部基板を積層して接合することにより、本実施例によるインクジェットプリントヘッドが完成される。一方、上部基板と下部基板にインク流路を形成する段階は順序に関わらず遂行されることができる。即ち、上部基板と下部基板のうち何れか一つにインク流路を形成することもでき、上部基板と下部基板に同時にインク流路が形成されることもできる。但し、以下では説明の便宜上、上部基板にインク流路を形成する工程を先に説明する。
図３の（ａ）を参照すると、本実施例では上部基板１００として、略１００〜２００μｍ程度の厚さを有した第１シリコン層１０１と、略０．３〜２μｍ程度の厚さを有した中間酸化膜１０２と、略５〜１３μｍ程度の厚さを有した第２シリコン層１０３からなったＳＯＩウエハーを用いる。準備された上部基板１００を湿式及び／または乾式酸化させて、上部基板１００の上面と下面には略５、０００〜１５、０００Å程度の厚さを有したシリコン酸化膜を形成することができる。
上部基板１００の下面にフォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）１０５を塗布し、塗布されたフォトレジスト１０５をパターニングして、インク流入口１１０を形成するための第１開口部１１１と、圧力チャンバ１５０を形成するための第２開口部１５１を形成する。この際、フォトレジストのパターニングは露光と現像を含む公知されたフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）方法によってなされることができ、以下で説明される他のフォトレジストのパターニングもこれと同一の方法からなることができる。
次に、図３の（ｂ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト１０５をエッチングマスクとして第１開口部１１１及び第２開口部１５１を通じて露出された部分の第１シリコン層１０１をエッチングし、インク流入口１１０の一部である第１溝部１１２と、圧力チャンバ１５０溝を形成する。この際、上記上部基板１００の第１シリコン層１０１に対するエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような乾式エッチング方法や、シリコン用エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）として、例えばテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ：Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた湿式エッチング方法によって遂行されることができる。このようなシリコン層のエッチングは以下で説明される他のシリコン層に対するエッチングにも同一に適用されることができる。
圧力チャンバ１５０溝を形成するために第１シリコン層１０１をエッチングする時、中間酸化膜１０２がエッチング停止層としての役割をするため、圧力チャンバ１５０溝の高さは第１シリコン層１０１の厚さと実質的に同一になることができる。
次に、図３の（ｃ）に図示されたように、第２シリコン層１０３をエッチングし、インク流入口１１０の一部である第２溝部１１３を形成する。この際、第２シリコン層１０３の上面にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストをパターニングして、インク流入口１１０を形成するための開口部を形成した後、このパターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして上記開口部を通じて露出された部分の第２シリコン層１０３をエッチングすることにより、上記第２溝部１１３を形成することができる。
次に、図３の（ｄ）に図示されたように、インク流入口１１０が形成される部分の中間酸化膜１０２をエッチングして、第１溝部１１２と第２溝部１１３を連通することにより、インク流入口１１０が形成される。この際、上記中間酸化膜１０２は第１シリコン層１０１の表面を酸化させて形成されるシリコン酸化幕であることができ、中間酸化膜１０２のエッチングは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような乾式エッチング方法、またはＢＯＥ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｔｃｈａｎｔ）を用いた湿式エッチング方法によって遂行されることができる。このような中間酸化膜のエッチングは、以下で説明される他の中間酸化膜または絶縁層に対するエッチングにも同一に適用されることができる。
以上、上部基板１００としてＳＯＩウエハーを用いてインク流路を形成することを図示して説明したが、上部基板１００として単結晶シリコン基板を用いることもできることは勿論である。即ち、略１００〜２００μｍ程度の厚さを有した単結晶シリコン基板を準備した後、図３の（ａ）から（ｄ）に図示された方法と同一の方法で上部基板１００にインク流入口１１０と圧力チャンバ１５０を形成することができる。
以下では、図４を参照して本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する工程を説明する。
図４の（ａ）に図示されたように、下部基板２００として、略数百μｍの厚さ、好ましくは略 ２１０μｍ程度の厚さを有した下部シリコン層２０１と、略１μｍ〜２μｍ程度の厚さを有した絶縁層２０２と、略１０μｍ〜１００μｍ程度の厚さを有した上部シリコン層２０３からなったＳＯＩウエハーを用いる。準備された下部基板２００を湿式及び／または乾式酸化させて、下部基板２００の上面と下面に略５、０００〜１５、０００Å程度の厚さを有したシリコン酸化膜を形成することができる。
下部基板２００の下面にフォトレジスト２０５を塗布し、塗布されたフォトレジスト２０５をパターニングして、ノズル２５０を形成するための開口部２５１を形成する。この際、フォトレジストのパターニングは上述のようにフォトリソグラフィ方法によってなされることができる。
次に、図４の（ｂ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０５をエッチングマスクとして上記開口部２５１を通じて露出された部分の下部シリコン層２０１をエッチングして、ノズル２５０を形成する。
次に、図４の（ｃ）に図示されたように、上部シリコン層２０３の上面にフォトレジスト２０６を塗布し、フォトレジスト２０６で突出部２３０を形成するための部分を除いた部分を除去した後、上記フォトレジスト２０６をエッチングマスクとして上述のように露出された部分の上部シリコン層２０３をエッチングすることにより、突出部２３０を形成する。この際、突出部２３０を形成するための上部シリコン層２０３のエッチングは、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを用いた湿式エッチングや、ＩＣＰを用いた ＲＩＥのような乾式エッチング方法によってなされる。
突出部２３０の水平断面は長方形または平行四辺形などの形態からなることができ、長方形の断面を有する突出部２３０は上部シリコン層２０３を乾式エッチングして得ることができ、平行四辺形の断面を有する突出部２３０は上部シリコン層２０３を湿式エッチングして得ることができる。その他に、向かい合う二つの辺が長い六角形、逆ピラミッド形または楕円形など、多様な形態からなることができる。このように、突出部２３０は乾式エッチングまたは湿式エッチングによって形成することができるが、特に乾式エッチング例えばＤＲＩＥなどを用いる場合、求める形状の突出部を得ることができる。突出部２３０は上部シリコン層２０３をエッチングして形成されるため、上部シリコン層２０３の厚さと実質的に同一の高さを有し、突出部２３０の高さは上部シリコン層２０３の厚さを調整することにより多様に調整することができる。このように調整される突出部２３０の高さによって圧力チャンバ１５０の高さも調整されることは勿論である。
このように形成された突出部２３０の上面に存在するフォトレジスト２０６は、湿式エッチングや乾式エッチングによって除去されることができ、化学・機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）によって除去されることもできる。この際、突出部２３０の厚さの一部をともに除去して、突出部２３０の高さを調整することができる。
次に、図４の（ｄ）に図示されたように、突出部２３０が形成された下部基板２００の上面、即ち絶縁層２０２の上面と突出部２３０の上面を覆うようにフォトレジスト２０７を塗布し、これをパターニングしてマニホールド２１０を形成するための開口部２１１を形成する。
次に、図４の（ｅ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０７をエッチングマスクとして、絶縁層２０２と下部シリコン層２０１の一部をエッチングすることにより、マニホールド２１０を形成する。マニホールド２１０の形成は乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、特にＴＭＡＨまたはＫＯＨを用いた湿式エッチング方法によってマニホールド２１０の側面が傾斜するようにエッチングされることができる。即ち、マニホールド２１０の水平断面が上部から下部に行くほど小さくなるように形成されることが好ましい。これは、インク流入口１１０に流入されたインクがマニホールド２１０から圧力チャンバ１５０に移送されることを容易にするためである。
次に、図４の（ｆ）に図示されたように、突出部２３０とマニホールド２１０が形成された下部基板２００の上面を覆うようにフォトレジスト２０８を塗布し、これをパターニングしてダンパー２４０を形成するための開口部２４１を形成する。
次に、図４の（ｇ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０８をエッチングマスクとして、絶縁層２０２と下部シリコン層２０１の一部をエッチングすることにより、ダンパー２４０を形成する。この際、ダンパー２４０の形成は乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、ダンパー２４０がノズル２５０と連通するようになされる。この際、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを用いた湿式エッチング方法によってダンパー２４０の側面は傾斜して形成されることができる。即ち、ダンパー２４０の水平断面が下部に行くほど小さくなるように形成される。これは、圧力チャンバ１５０からノズル２５０へのインク吐出を容易にする。
本実施例では、下部基板２００にノズル２５０、突出部２３０、マニホールド２１０、ダンパー２４０の順にインク流路を形成することを図示して説明しているが、これは例示的なものであり、この構成の加工段階の順序は求められる条件及び設計仕様によって変形されることができることは勿論である。例えば、下部基板２００に突出部２３０を先に形成して、ノズル、マニホールド、ダンパーを任意の順に形成することもできる。
このように、インク流路が形成された上部基板１００及び下部基板２００を接合して、上部基板１００の上面に圧力チャンバ１５０の位置に対応する位置に圧電アクチュエーター１３０を形成すると、図２に図示されたように、本実施例によるインクジェットプリントヘッドが完成される。
この際、上部基板１００と下部基板２００の接合はシリコン直接接合（ＳＤＢ）によってなされることが好ましい。即ち、上部基板１００の第１シリコン層１０１の下面と下部基板２００の絶縁層２０２の上面を接合面として、この接合面を密着した後、熱処理することにより接合されることができる。
図５は本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドを部分切断して示した分解斜視図であり、図６は本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの垂直断面図であり、図７は本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法を示す工程図である。
図５から図７に図示された本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドは、マニホールドとダンパーの水平断面が下部基板の厚さ方向に沿って同一に形成されるものであり、その他の構成は図１に図示された本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドと同一であるため、この構成に対する詳細な説明は省略し、以下では差異点を中心に説明する。
図５及び図６を参照すると、本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドは、インク流入口１１０及び圧力チャンバ１５０が形成される上部基板１００、マニホールド２１０、突出部２３０、ダンパー２４０及びノズル２５０が形成される下部基板２００、及び上部基板１００の上面に形成される圧電アクチュエーター１３０を含む。
本実施例でマニホールド２１０は下部基板２００の絶縁層２０２と、下部シリコン層２０１の一部によって形成され、マニホールド２１０の水平断面は下部基板２００の厚さ方向に沿って同一に形成されている。即ち、マニホールド２１０の側面はマニホールド２１０の底面に垂直に形成される。これは、ＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチング方法によってなされることができる。
ダンパー２４０は下部基板２００の絶縁層２０２と、下部シリコン層２０１の一部によって形成され、ノズル２５０と連通されるように形成される。この際、ダンパー２４０の水平断面は下部基板２００の厚さ方向に沿って同一に形成されている。即ち、ダンパー２４０の側面はダンパー２４０の底面に垂直に形成される。これは、ＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチング方法によってなされることができる。
以下では、図７を参照して、本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法を説明する。本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの上部基板の構成は第１実施例と同一であるため、これに対する説明は省略する。
図７に図示された本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法は、マニホールドとダンパーの水平断面が下部基板の厚さ方向に同一に形成されるものであり、マニホールドを形成する段階とダンパーを形成する段階の他の段階は図４に図示された第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する段階と実質的に同一である。従って、以下ではマニホールド及びダンパーを形成する段階を中心に説明する。
図７の（ａ）に図示されたように、下部シリコン層２０１、絶縁層２０２、及び上部シリコン層２０３を順に積層してなされた下部基板２００の下面にフォトレジスト２０５を塗布し、塗布されたフォトレジスト２０５をパターニングして、ノズル２５０を形成するための開口部２５１を形成する。
次に、図７の（ｂ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０５をエッチングマスクとして上記開口部２５１を通じて露出された部分の下部シリコン層２０１をエッチングすることにより、ノズル２５０を形成する。
次に、図７の（ｃ）に図示されたように、上部シリコン層２０３の上面にフォトレジスト２０６を塗布し、フォトレジスト２０６で突出部２３０を形成するための部分を除いた部分を除去した後、上記フォトレジスト２０６をエッチングマスクとして上述のように露出された部分の上部シリコン層２０３をエッチングすることにより、突出部２３０を形成する。
次に、図７の（ｄ）に図示されたように、突出部２３０が形成された下部基板２００の上面、即ち絶縁層２０２の上面と突出部２３０の上面を覆うようにフォトレジスト２０７を塗布し、これをパターニングしてマニホールド２１０を形成するための開口部２１１を形成する。
次に、図７の（ｅ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０７をエッチングマスクとして、絶縁層２０２と下部シリコン層２０１の一部をエッチングすることにより、マニホールド２１０を形成する。マニホールド２１０の形成は乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、特にＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチング方法によってマニホールド２１０の水平断面が下部基板２００の厚さ方向に沿って同一に形成されることができる。即ち、マニホールド２１０の側面がマニホールド２１０の底面と垂直になるように形成される。
次に、図７の（ｆ）に図示されたように、突出部２３０とマニホールド２１０が形成された下部基板２００の上面を覆うようにフォトレジスト２０８を塗布し、これをパターニングしてダンパー２４０を形成するための開口部２４１を形成する。
次に、図７の（ｇ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０８をエッチングマスクとして、絶縁層２０２と下部シリコン層２０１の一部をエッチングすることにより、ダンパー２４０を形成する。この際、ダンパー２４０の形成は乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、特にＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチング方法によってダンパー２４０の水平断面の大きさが下部基板２００の厚さ方向に沿って一定に形成されることができる。即ち、ダンパー２４０の側面がダンパー２４０の底面と垂直になるように形成される。この際、ダンパー２４０はノズル２５０と連通するようになされる。
次に、図７の（ｈ）に図示されたように、下部基板２００の上面に形成されたフォトレジスト２０８を除去すると、下部基板２００が完成される。これは、乾式エッチングや湿式エッチングによってなされることができ、ＣＭＰによってなされることもできる。この際、突出部２３０の高さや下部基板２００の厚さを求めるサイズにするために、突出部２３０及び下部シリコン層２０１を厚さ方向に一部除去することができる。
図８は本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドを部分切断して示した分解斜視図であり、図９は本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドの垂直断面図であり、図１０は本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法を示す工程図である。
図８から図１０に図示された本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドは、マニホールドの水平断面が下部基板の厚さ方向に沿って一定に形成され、ダンパーの垂直断面が逆台形の形状に形成されるものであり、その他の構成は図１に図示された本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドと同一であるため、この構成に対する詳細な説明は省略し、以下では差異点を中心に説明する。
図８及び図９を参照すると、本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドは、インク流入口１１０及び圧力チャンバ１５０が形成される上部基板１００、マニホールド２１０、突出部２３０、ダンパー２４０及びノズル２５０が形成される下部基板２００、及び上部基板１００の上面に形成される圧電アクチュエーター１３０を含む。
本実施例でマニホールド２１０は下部基板２００の絶縁層２０２と、下部シリコン層２０１の一部によって形成され、マニホールド２１０の水平断面は下部基板２００の厚さ方向に沿って同一に形成されている。即ち、マニホールド２１０の側面はマニホールド２１０の底面に垂直に形成される。
ダンパー２４０は下部基板２００の絶縁層２０２と、下部シリコン層２０１の一部によって形成され、垂直断面が逆台形の形状に形成される。この際、ダンパー２４０の垂直断面で下辺はノズル２５０の直径と同一に形成される。
以下では、図１０を参照して本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法を説明する。本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドの上部基板の構成は、第１実施例と同一であるため、これに対する説明は省略する。
図１０に図示された本発明の第３実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する方法は、下部基板にマニホールド、ダンパー、ノズルを形成した後、突出部を形成し、マニホールドの水平断面を下部基板の厚さ方向に沿って一定に形成し、ダンパーの垂直断面を逆台形の形状に形成するという点で、図４に図示された第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの下部基板にインク流路を形成する段階と相異なる。従って、以下では差異点を中心に説明する。
図１０の（ａ）に図示されたように、絶縁層２０２の上部にフォトレジスト２０５を塗布し、塗布されたフォトレジスト２０５をパターニングして、パターニングされたフォトレジスト２０５をエッチングマスクとして絶縁層２０２にマニホールド２１０とダンパー２４０を形成するための開口部２１１、２４１を形成する。
次に、図１０の（ｂ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０５をエッチングマスクとして上記開口部２１１、２４１を通じて露出された部分の下部シリコン層２０１をエッチングして、マニホールド２１０とダンパー２４０溝を形成する。
マニホールド２１０の形成は乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、特に、ＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチング方法によってマニホールド２１０の水平断面が下部基板２００の厚さ方向に沿って同一に形成されることができる。即ち、マニホールド２１０の側面がマニホールド２１０の底面と垂直になるように形成される。
ダンパー２４０溝の形成は、乾式エッチングや湿式エッチング方法によってなされることができ、特に、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを用いた湿式エッチング方法によってダンパー２４０溝の垂直断面が逆三角形の形態に形成されることができる。
次に、図１０の（ｃ）に図示されたように、下部シリコン層２０１を求める厚さに研磨する。下部シリコン層２０１は略数百μｍの厚さ、好ましくは略２１０μｍ程度の厚さになるように研磨されることができ、ＣＭＰ工程によってなされることができる。
次に、図１０の（ｄ）に図示されたように、下部シリコン層２０１の下面にフォトレジスト２０６を塗布し、これをパターニングしてノズル２５０を形成するための開口部２５１を形成する。
次に、図１０の（ｅ）に図示されたように、パターニングされたフォトレジスト２０６をエッチングマスクとして下部シリコン層２０１の一部をエッチングして、ノズル２５０を形成する。この際、ダンパー２４０の垂直断面が逆台形の形態になるようにノズル２５０が連通されて、ダンパー２４０の垂直断面で下辺がノズル２５０の直径と実質的に同一に形成されることができる。
次に、図１０の（ｆ）に図示されたように、絶縁層２０２の上部に上部シリコン層２０３を形成する。上部シリコン層２０３は絶縁層２０２にＳＤＢ方法によって接合されることができる。この際、上部シリコン層２０３はＣＭＰのような研磨工程によって求める厚さの突出部２３０と同一の厚さに形成することができる。
次に、図１０の（ｇ）に図示されたように、上部シリコン層２０３の上部にフォトレジスト２０７を塗布し、これをパターニングして上部シリコン層２０３で突出部２３０が形成される部分以外の部分が露出されるようにする。
次に、図１０の（ｈ）に図示されたように、上記パターニングされたフォトレジスト２０７をエッチングマスクとして上部シリコン層２０３の突出部２３０の形成部分以外の部分を除去する。これは上述のように、ＴＭＡＨやＫＯＨを用いた湿式エッチングまたはＩＣＰを用いたＲＩＥのような乾式エッチングによってなされることができる。
次に、図１０の（ｉ）に図示されたように、突出部２３０の上面に形成されたフォトレジスト２０７を除去すると、下部基板２００が完成される。
図１１は本発明によるインクジェットプリントヘッドと比較例によるインクジェットプリントヘッドの液滴の吐出ボリュームの変化を示すグラフであり、図１２は本発明によるインクジェットプリントヘッドと比較例によるインクジェットプリントヘッドの液滴の吐出速度の変化を示すグラフである。比較例によるインクジェットプリントヘッドは圧力チャンバの空間を減らしていないものであり、本発明によるインクジェットプリントヘッドが圧力チャンバの高さにおいて比較例によるインクジェットプリントヘッドより低い。
図１１及び図１２のグラフは比較例によるインクジェットプリントヘッドの場合、駆動電圧を７０Ｖとした時に吐出されるインク液滴の吐出ボリュームと吐出速度を測定したものであり、本発明によるインクジェットプリントヘッドの場合、駆動電圧を６２Ｖとした時に吐出されるインク液滴の吐出ボリュームと吐出速度を測定したものである。
図１１のグラフでは比較例の場合は吐出ボリュームの平均が略１９ｐｌ程度であり、本発明の場合は吐出ボリュームの平均が略２１．８ｐｌ程度である。図１２のグラフでは比較例の場合は吐出速度の平均が略３．５ｍ／ｓ程度であり、本発明の場合は吐出速度の平均が略３．１ｍ／ｓ程度である。
図１１のグラフに表れたように、本発明によるインクジェットプリントヘッドの方が比較例より駆動電圧が低いにも関らず、吐出ボリュームがより高く表れたことが分かる。従って、本発明のインクジェットプリントヘッドに比較例と同一の駆動電圧が印加されたとしたら、さらに高いボリュームが表れることは当然である。
一方、図１２のグラフでは本発明によるインクジェットプリントヘッドの方が比較例より吐出速度が少し低く表れている。しかし、比較例の駆動電圧が本発明より高いという点を勘案すると、平均吐出速度において差異が０．４ｍ／ｓと非常に小さいといえる。また、一般的にインクジェットプリントヘッドの吐出速度は駆動電圧に敏感であるため、本発明によるインクジェットプリントヘッドに比較例と同一の駆動電圧、即ち７０Ｖの駆動電圧が印加されたとしたら、比較例よりさらに高い吐出速度が表れたはずである。これは、図１１で本発明の方が駆動電圧が低いにも関らず吐出ボリュームがより高く表れたことからも十分に予測することができる。
このように、圧力チャンバの空間を減らすことにより、ハンドリングするインクの体積を小さくして、より低い駆動電圧で吐出速度や吐出ボリュームのようなインク吐出特性が優れたインクジェットプリントヘッドを得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施例を詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、当該分野にて通常的知識を有した者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するであろう。例えば、本発明でインクジェットプリントヘッドのインク流路を形成する各構成要素を形成する方法はただ例示されたものであり、多様なエッチング方法が適用されることができ、製造方法の各段階の順序も例示されたものと異にすることができる。従って、本発明の真正な技術的保護範囲は添付された特許請求範囲によって決まるべきであろう。
１００ 上部基板
１１０ インク流入口
１３０ 圧電アクチュエーター
１５０ 圧力チャンバ
２００ 下部基板
２１０ マニホールド
２２０ リストリクター
２３０ 突出部
２４０ ダンパー
２５０ ノズル
１１０ インク流入口
１３０ 圧電アクチュエーター
１５０ 圧力チャンバ
２００ 下部基板
２１０ マニホールド
２２０ リストリクター
２３０ 突出部
２４０ ダンパー
２５０ ノズル
Claims (18)
- 圧力チャンバが形成される上部基板、並びに
上部シリコン層、絶縁層、及び下部シリコン層を含む下部基板
を含み、
前記下部基板は、前記上部シリコン層からなって、前記圧力チャンバの空間を減らすために前記圧力チャンバ内に突出される突出部を含み、
前記上部基板の底面と前記下部基板の前記絶縁層の上面が固定されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。 - 前記上部基板は、第１シリコン層、中間酸化膜、及び第２シリコン層が順に積層されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーからなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記突出部は高さが前記第１シリコン層の厚さより小さく形成されることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記下部基板は、
インク流入口から流入されるインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド、及び
前記圧力チャンバとノズルの間に形成されるダンパーを含み、
前記マニホールド及び前記ダンパーのうち少なくとも一つは側面が傾斜して形成されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記下部基板は、
インク流入口から流入されるインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド、及び
前記圧力チャンバとノズルの間に形成されるダンパーを含み、
前記マニホールド及び前記ダンパーのうち少なくとも一つは側面が底面と垂直に形成されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記マニホールドと前記圧力チャンバの間に前記圧力チャンバから前記マニホールドへのインクの逆流を防止するリストリクターが形成され、
前記リストリクターは前記突出部の前記マニホールド側の側面と前記圧力チャンバの前記マニホールド側の側面によって形成されることを特徴とする請求項４または５に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記絶縁層は前記下部シリコン層の表面を酸化させて形成される酸化膜からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 上部基板に圧力チャンバ溝を形成する段階、
下部シリコン層、絶縁層、及び上部シリコン層を順に積層して下部基板を準備する段階、
前記上部シリコン層から、前記圧力チャンバ溝内に配置される突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階、並びに
前記突出部が前記圧力チャンバ溝の空間上に配置されるように、前記上部基板の底面と前記下部基板の絶縁層を固定する段階を含むインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記上部基板の底面と前記下部基板の絶縁層を固定する段階は、シリコン直接接合（ＳＤＢ）によってなされることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- インク流入口に流入されたインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド及び前記圧力チャンバとノズルの間のインク流路であるダンパーを形成するために、前記下部基板をエッチングする段階をさらに含むことを特徴とする請求項８または９に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記下部基板をエッチングする段階は、前記マニホールド及び前記ダンパーのうち少なくとも一つの側面が傾斜するようにエッチングしてなされることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記マニホールド及び前記ダンパーを形成するために前記下部基板をエッチングする段階は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方法によって遂行されることを特徴とする請求項１０または１１に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部シリコン層から前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方法によって遂行されることを特徴とする請求項８から１２の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部シリコン層から前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、テトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ：Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた湿式エッチング方法によって遂行されることを特徴とする請求項８から１２の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部シリコン層から前記突出部を形成するための部分以外の部分を除去する段階は、前記絶縁層をエッチング停止層として遂行されることを特徴とする請求項８から１４の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板はＳＯＩウエハーからなり、
前記上部基板に圧力チャンバ溝を形成する段階は前記ＳＯＩウエハーの中間酸化膜をエッチング停止層として遂行されることを特徴とする請求項８から１５の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記下部基板を準備する段階は、
前記下部シリコン層に、インク流入口に流入されたインクを前記圧力チャンバに供給するマニホールド及び前記圧力チャンバとノズルの間のインク流路であるダンパーを形成するように、前記下部シリコン層をエッチングする段階、
前記下部シリコン層の上面に前記絶縁層を形成する段階、並びに
前記絶縁層の上部に前記上部シリコン層を積層する段階を含むことを特徴とする請求項８から１６の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記絶縁層を形成する段階は前記下部シリコン層の表面を酸化させてなされることを特徴とする請求項１７に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
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