(57)【要約】【課題】圧電方式の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。【解決手段】二つの単結晶シリコン基板上に具現され、上部基板には、インクインレットが貫通形成され、上部基板の底面には、インクインレットと連結されるマニホールドと、その少なくとも一側に配列される複数の圧力チャンバとが形成され、下部基板の上面には、マニホールドと複数の圧力チャンバとのそれぞれの一端部を連結する複数のリストリクタが形成され、下部基板には、複数の圧力チャンバのそれぞれの他端部に対応する位置に複数のノズルが垂直に貫通形成され、上部基板上には、複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータが形成され、下部基板上に上部基板が積層されて互いに接合されることにより、インクインレットとマニホールドとで形成された共通流路とリストリクタ、圧力チャンバ及びノズルからなる個別流路とが形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが導入されるインクインレットが貫通形成され、その底面には、前記インクインレットと連結されるマニホールド、及び前記マニホールドの少なくとも一側に配列されて吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバが形成された上部基板と、
その上面には、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバとのそれぞれの一端部を連結する複数のリストリクタが形成され、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの他端部に対応する位置には、インクを吐出するための複数のノズルが垂直に貫通形成された下部基板と、
前記上部基板上に形成されて、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、を備え、
前記上部基板及び下部基板は、シリコン基板で形成され、前記下部基板上に前記上部基板が積層されて互いに接合されることを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項２】
前記上部基板は、第１シリコン層、中間酸化膜及び第２シリコン層が順次積層された構造を有するＳＯＩウェーハで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項３】
前記第１シリコン層に前記マニホールド及び前記複数の圧力チャンバが形成され、前記第２シリコン層は、前記圧電アクチュエータの駆動により曲がり変形される振動板としての役割を行うことを特徴とする請求項２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項４】
前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さは、前記第１シリコン層の厚さと実質的に同じであり、前記マニホールドの深さは、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さより小さいことを特徴とする請求項３に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項５】
前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に２列に配列されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項６】
前記マニホールドの内部には、その長手方向に延びた隔壁が形成されたことを特徴とする請求項５に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項７】
前記複数のリストリクタのそれぞれは、その一端が前記隔壁に隣接するように延びた形状を有することを特徴とする請求項６に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項８】
前記複数のリストリクタのそれぞれは、相互離隔された二つの部分に分けられ、前記二つの部分は、前記上部基板の底面に所定の深さに形成された連結溝を通じて互いに連結されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項９】
前記圧電アクチュエータは、
前記上部基板上に形成される下部電極と、
前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれの上部に位置するように形成される圧電膜と、
前記圧電膜上に形成されて、前記圧電膜に電圧を印加するための上部電極と、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項１０】
前記下部電極は、Ｔｉ及びＰｔでそれぞれ形成された二つの金属薄膜層から構成されたことを特徴とする請求項９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項１１】
前記上部基板と前記下部電極との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜が形成されたことを特徴とする請求項９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項１２】
前記複数のノズルのそれぞれは、
前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、
前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項１３】
前記インク導入部は、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほどその断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項１４】
単結晶シリコン基板で形成された上部基板と下部基板とを準備する工程と、
準備された前記上部基板を微細加工して、インクが導入されるインクインレットと、前記インクインレットと連結されるマニホールドと、吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバと、を形成する上部基板の加工工程と、
準備された前記下部基板を微細加工して、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバのそれぞれの一端部とを連結する複数のリストリクタと、インクを吐出するための複数のノズルと、を形成する下部基板の加工工程と、
前記下部基板上に前記上部基板を積層して互いに接合する工程と、
前記上部基板上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータを形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１５】
前記上部基板の加工工程及び前記下部基板の加工工程で、前記上部基板と下部基板とのそれぞれに前記接合工程での配列基準として利用されるアラインメントマークを形成することを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１６】
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に２列に配列されるように形成されることを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１７】
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドの内部にその長手方向に延びた隔壁を形成することを特徴とする請求項１６に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１８】
前記基板準備工程で、前記上部基板として第１シリコン層、中間酸化膜及び第２シリコン層が順次積層された構造を有するＳＯＩウェーハを準備することを特徴をする請求項１４ないし請求項１７のうち何れか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１９】
前記上部基板の加工工程で、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットは、前記中間酸化膜をエッチング停止層として前記第１シリコン層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１８に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２０】
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さより浅く形成されることを特徴とする請求項１９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２１】
前記上部基板の加工工程は、
前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールドを形成するための第１開口部を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記複数の圧力チャンバ及びインクインレットを形成するための第２開口部を形成する工程と、
前記第２開口部を通じて前記上部基板の底面を所定の深さに１次エッチングする工程と、
前記第１開口部及び第２開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまで２次エッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２２】
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さと実質的に同じく形成されることを特徴とする請求項１９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２３】
前記上部基板の加工工程は、
前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールド、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットを形成するための開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまでエッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項２２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２４】
前記上部基板に対するエッチングは、誘導結合プラズマを利用した反応性イオンエッチング法により行われることを特徴とする請求項２１または請求項２３に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２５】
前記上部基板の底面に形成された前記インクインレットは、前記圧電アクチュエータの形成工程後に貫通されることを特徴とする請求項１９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２６】
前記下部基板の加工工程で、前記複数のリストリクタのそれぞれは、前記下部基板の上面を所定の深さに乾式または湿式エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２７】
前記複数のリストリクタのそれぞれは、互いに離隔された二つの部分に分けられて形成されることを特徴とする請求項２６に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２８】
前記下部基板の加工工程で、前記複数のノズルのそれぞれは、
前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、
前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えることを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２９】
前記インク導入部は、前記下部基板の上面を所定の深さに異方性湿式エッチングすることによって、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほど次第にその断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されることを特徴とする請求項２８に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３０】
前記インク吐出口は、前記下部基板の底面を乾式エッチングして前記インク導入部と連通して形成されることを特徴とする請求項２８に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３１】
前記接合工程で、前記二つの基板間の接合は、シリコン直接接合方法により行われることを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３２】
前記圧電アクチュエータの形成工程は、
前記上部基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜上に上部電極を形成する工程と、
前記圧電膜に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程と、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３３】
前記下部電極は、前記上部基板上にＴｉ及びＰｔをそれぞれ所定の厚さにスパッタリングすることにより形成されることを特徴とする請求項３２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３４】
前記圧電膜は、前記下部電極上の前記複数の圧力チャンバのそれぞれに対応する位置にペースト状態の圧電材料を塗布した後、これを焼結させることによって形成されることを特徴とする請求項３２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、さらに詳細には、微細加工技術を利用して二つのシリコン基板上に具現される圧電方式の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。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微細な液滴を記録媒体上の所望の位置に吐出させて、所定色の画像として印刷する装置である。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２つに大別され得る。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用して、その圧電体の変形によりインクに加えられる圧力により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である。
【０００３】
前記圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成は、図１に示されている。図１に示すように、流路形成板１の内部には、インク流路をなすマニホールド２、リストリクタ３、圧力チャンバ４及びノズル５が形成されており、流路形成板１の上部には、圧電アクチュエータ６が設けられている。マニホールド２は、インク保存庫（図示せず）から流入されたインクを各圧力チャンバ４に供給する通路であり、リストリクタ３は、マニホールド２から圧力チャンバ４にインクが流入される通路である。圧力チャンバ４は、吐出されるインクが充填される所であって、圧電アクチュエータ６の駆動によりその体積が変化することによって、インクの吐出または流入のための圧力の変化を生成する。
【０００４】
前記流路形成板１は、主にセラミック材料、金属材料または合成樹脂材料の複数の薄板をそれぞれ加工して前記インク流路の部分を形成した後、これらの複数の薄板を積層することにより形成される。そして、圧電アクチュエータ６は、圧力チャンバ４の上側に設けられ、圧電膜と、この圧電膜に電圧を印加するための電極とが積層された形態である。これにより、流路形成板１の圧力チャンバ４の上壁をなす部位は、圧電アクチュエータ６により変形される振動板１ａの役割を行う。
【０００５】
前記の構成を有する従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、圧電アクチュエータ６の駆動により振動板１ａが変形されれば、圧力チャンバ４の体積が減少し、これによる圧力チャンバ４内の圧力の変化によって、圧力チャンバ４内のインクは、ノズル５を通じて外部へ吐出される。次いで、圧電アクチュエータ６の駆動により振動板１ａが本来の形態に復元されれば、圧力チャンバ４の体積が増加し、これによる圧力の変化によりインクがマニホールド２からリストリクタ３を通じて圧力チャンバ４内へ流入される。
【０００６】
このような圧電方式のインクジェットプリントヘッドの具体的な一例として、図２には、特許文献１に開示された圧電方式のインクジェットプリントヘッドが示されている。
図２に示すように、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、複数の薄いプレート１１ないし１６を積層して接合することにより形成される。すなわち、プリントヘッドの最下側には、インクを吐出するためのノズル１１ａが形成された第１プレート１１が配置され、その上にマニホールド１２ａ及びインク排出口１２ｂが形成されている第２プレート１２が積層され、またその上には、インク流入口１３ａ及びインク排出口１３ｂが形成されている第３プレート１３が積層される。そして、第３プレート１３には、インク保存庫（図示せず）からマニホールド１２ａにインクを導入するためのインクインレット１７が設けられている。第３プレート１３上には、インク流入口１４ａ及びインク排出口１４ｂが形成されている第４プレート１４が積層され、その上には両端部がそれぞれインク流入口１４ａ及びインク排出口１４ｂに連通された圧力チャンバ１５ａが形成されている第５プレート１５が積層される。前記のインク流入口１３ａ、１４ａは、マニホールド１２ａから圧力チャンバ１５ａにインクが流入される通路の役割を行い、インク排出口１２ｂ、１３ｂ、１４ｂは、圧力チャンバ１５ａからノズル１１ａ側にインクが排出される通路の役割を行う。第５プレート１５上には、圧力チャンバ１５ａの上部を閉鎖する第６プレート１６が積層され、その上には、圧電アクチュエータとして駆動電極２０及び圧電膜２１が形成されている。したがって、第６プレート１６は、圧電アクチュエータにより振動する振動板としての機能を行い、その曲がり変形によりその下側の圧力チャンバ１５ａの体積を変化させる。
【０００７】
前記の第１プレート１１、第２プレート１２及び第３プレート１３は、一般的に金属薄板のエッチングまたはプレス加工により成形され、前記第４プレート１４、第５プレート１５及び第６プレート１６は、一般的に薄板形態のセラミック材料を切削加工することにより成形される。一方、マニホールド１２ａが形成された第２プレート１２は、薄いプラスチック材料やフィルム状の接着剤を射出モールディングやプレス加工により成形され、またはペースト状の接着剤をスクリーンプリンティングすることにより成形され得る。そして、第６プレート１６上に形成される圧電膜２１は、圧電性質を有するペースト状のセラミック材料を塗布した後、燒結することにより成形される。
【０００８】
前記のように、図２に示す従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドを製造するためには、複数の金属プレート及びセラミックプレートのそれぞれを多様な加工方法により別途に加工した後、これらを積層して所定の接着剤により互いに接合させる工程を経る。ところが、従来のプリントヘッドでは、これを構成するプレートの数が比較的に多く、これにより、プレートを配列させる工程が多くなって、配列誤差も共に大きくなるという短所がある。配列誤差が発生すれば、インク流路を通じたインクの流れが円滑ではなく、これは、プリントヘッドのインク吐出の性能を低下させる。特に、解像度の向上のために、プリントヘッドを高密度で製作する最近の趨勢によって、前記の配列工程での精度の向上はさらに要求され、これは、製品コストの上昇をもたらす。
【０００９】
そして、プリントヘッドをなす複数のプレートが相異なる材料で相異なる方法により製造されるので、その製造工程の複雑性及び二重材料間の接合による難しさは、製品の収率を低下させる。また、複数のプレートが製造過程で正確に配列されて接合されたとしても、使用中に周囲の温度の変化によって異種材料間の熱膨張係数の差による配列誤差または変形が発生しうるという問題点もある。
【００１０】
図３には、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの他の例として、本出願人の特許文献２に開示されたインクジェットプリントヘッドが示されている。
図３に示すインクジェットプリントヘッドは、３個のシリコン基板３０，４０，５０が積層されて接合された構造を有する。３個の基板３０，４０，５０のうち上部基板３０の底面には、所定深さの圧力チャンバ３２が形成されており、その一側には、インク保存庫（図示せず）と連結されたインクインレット３１が貫通形成されている。前記圧力チャンバ３２は、中間基板４０に形成されたマニホールド４１の両側に２列に配列されている。そして、上部基板３０の上面には、圧力チャンバ３２にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ６０が形成されている。中間基板４０には、インクインレット３１と連結されるマニホールド４１が形成されており、このマニホールド４１の両側に、複数の圧力チャンバ３２のそれぞれと連結されるリストリクタ４２が形成されている。また、中間基板４０には、上部基板３０に形成された圧力チャンバ３２に対応する位置にダンパー４３が垂直に貫通形成されている。そして、下部基板５０には、前記ダンパー４３と連結されるノズル５１が形成されている。
【００１１】
前記のように、図３に示すインクジェットプリントヘッドは、３個のシリコン基板３０，４０，５０が積層された形態に構成されることによって、図２に示す従来のインクジェットプリントヘッドに比べて基板の数が減って、その製造工程が比較的に簡単になり、複数の基板の積層工程で発生する誤配列の問題点が減少する。
しかし、次第に高い駆動周波数を要求する最近の趨勢及び次第に深化されているコスト競争を鑑みれば、前記の３個の基板を使用して製造されるインクジェットプリントヘッドも、このような要求を十分に満足させ得ないという短所がある。
【特許文献１】米国特許第５,８５６,８３７号明細書
【特許文献２】韓国出願第２００３−００５０４７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、特に、さらに単純な製造工程及びさらに向上したインク吐出の性能のために、二つのシリコン基板上に具現される圧電方式の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ところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を達成するための本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、インクが導入されるインクインレットが貫通形成され、その底面には、前記インクインレットと連結されるマニホールド、及び前記マニホールドの少なくとも一側に配列されて、吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバが形成された上部基板と、その上面には、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバとのそれぞれの一端部を連結する複数のリストリクタが形成され、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの他端部に対応する位置には、インクを吐出するための複数のノズルが垂直に貫通形成された下部基板と、前記上部基板上に形成されて、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、を備え、前記上部基板及び下部基板は、シリコン基板で形成され、前記下部基板上に前記上部基板が積層されて互いに接合されることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記上部基板は、第１シリコン層、中間酸化膜及び第２シリコン層が順次積層された構造を有するＳＯＩウェーハで形成されたことが望ましい。この場合、前記第１シリコン層に前記マニホールド及び前記複数の圧力チャンバが形成され、前記第２シリコン層は、前記圧電アクチュエータの駆動により曲がり変形される振動板としての役割を行う。そして、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さは、前記第１シリコン層の厚さと実質的に同じであり、前記マニホールドの深さは、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さより小さいことが望ましい。
【００１５】
本発明において、前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に２列に配列されうる。この場合、前記マニホールドの内部には、その長手方向に延びた隔壁が形成されたことが望ましい。
本発明において、前記複数のリストリクタのそれぞれは、その一端が前記隔壁に隣接するように延びた形状を有しうる。
【００１６】
一方、前記複数のリストリクタのそれぞれは、相互離隔された二つの部分に分けられ、前記二つの部分は、前記上部基板の底面に所定の深さに形成された連結溝を通じて互いに連結されうる。
本発明において、前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれの上部に位置するように形成される圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて、前記圧電膜に電圧を印加するための上部電極と、を備えうる。
【００１７】
本発明において、前記複数のノズルのそれぞれは、前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えうる。この場合、前記インク導入部は、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほどその断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されうる。
【００１８】
そして、前記課題を達成するための本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法は、単結晶シリコン基板で形成された上部基板と下部基板とを準備する工程と、準備された前記上部基板を微細加工して、インクが導入されるインクインレットと、前記インクインレットと連結されるマニホールドと、吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバと、を形成する上部基板の加工工程と、準備された前記下部基板を微細加工して、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバのそれぞれの一端部とを連結する複数のリストリクタと、インクを吐出するための複数のノズルと、を形成する下部基板の加工工程と、前記下部基板上に前記上部基板を積層して互いに接合する工程と、前記上部基板上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータを形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記上部基板の加工工程及び前記下部基板の加工工程で、前記上部基板と下部基板とのそれぞれに前記接合工程での配列基準として利用されるアラインメントマークを形成できる。
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に２列に配列されるように形成されうる。この場合、前記マニホールドの内部にその長手方向に延びた隔壁を形成することが望ましい。
【００２０】
前記基板準備工程で、前記上部基板として第１シリコン層、中間酸化膜及び第２シリコン層が順次積層された構造を有するＳＯＩウェーハを準備することが望ましい。この場合、前記上部基板の加工工程で、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットは、前記中間酸化膜をエッチング停止層として前記第１シリコン層をエッチングすることによって形成されうる。
【００２１】
そして、前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さより浅く形成されうる。
この場合、前記上部基板の加工工程は、前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールドを形成するための第１開口部を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記複数の圧力チャンバ及びインクインレットを形成するための第２開口部を形成する工程と、前記第２開口部を通じて前記上部基板の底面を所定の深さに１次エッチングする工程と、前記第１開口部及び第２開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまで２次エッチングする工程と、を含み得る。
【００２２】
一方、前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さと実質的に同じく形成されうる。
この場合、前記上部基板の加工工程は、前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールド、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットを形成するための開口部を形成する工程と、前記開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまでエッチングする工程と、を含み得る。
【００２３】
前記下部基板の加工工程で、前記複数のリストリクタのそれぞれは、前記下部基板の上面を所定の深さに乾式または湿式エッチングすることによって形成されうる。この場合、前記複数のリストリクタのそれぞれは、互いに離隔された二つの部分に分けられて形成されうる。
【００２４】
前記下部基板の加工工程で、前記複数のノズルのそれぞれは、前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えうる。
前記インク導入部は、前記下部基板の上面を所定の深さに異方性湿式エッチングすることによって、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほど順次その断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されることが望ましい。
【００２５】
前記インク吐出口は、前記下部基板の底面を乾式エッチングして前記インク導入部と連通して形成されうる。
前記接合工程で、前記二つの基板間の接合は、シリコン直接接合方法により行われうる。
【００２６】
前記圧電アクチュエータの形成工程は、前記上部基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、前記圧電膜上に上部電極を形成する工程と、前記圧電膜に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程と、を含み得る。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法は、次のような効果を有する。
第一に、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、二つのシリコン基板に構成されるので、その製造工程がさらに単純化される。これにより、収率が上昇して製造コストが低減しうる。
【００２８】
第二に、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドによれば、高い駆動周波数でも安定したインク吐出性能を有する。したがって、さらに速い印刷速度を有するプリンタを具現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されている。また、一層が基板や他の層上に存在すると説明されるとき、その層は、基板や他の層に直接接しつつ、その上に存在しても良く、その間に第３の層が存在しても良い。
【００３０】
図４は、本発明の望ましい実施形態に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して示す分解斜視図であり、図５は、図４に表示されたＡ−Ａ’線のプリントヘッドの垂直断面図であり、図６は、図５に表示されたＢ−Ｂ’線のプリントヘッドの垂直断面図である。
【００３１】
図４ないし図６を共に参照すれば、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、二つの基板、すなわち、上部基板１００と下部基板２００とを接合することにより形成される。そして、前記上部基板１００及び下部基板２００には、インク流路が形成され、上部基板１００の上面には、インクの吐出のための駆動力を発生させる圧電アクチュエータ１９０が設けられる。
【００３２】
前記二つの基板１００，２００は、何れも単結晶シリコンウェーハで形成される。これにより、フォトリソグラフィ及びエッチングのような微細加工技術を利用して、二つの基板１００，２００にインク流路を形成する構成要素をさらに微細なサイズに精密かつ容易に形成できる。
【００３３】
前記のインク流路は、インク保存庫（図示せず）からインクが流入されるインクインレット１１０と、吐出されるインクが充填され、インクを吐出させるための圧力変化を発生させる複数の圧力チャンバ１３０と、前記インクインレット１１０を通じて流入されたインクを複数の圧力チャンバ１３０に供給する共通流路であるマニホールド１２０と、前記マニホールド１２０からそれぞれの圧力チャンバ１３０へインクを供給するための個別流路であるリストリクタ２２０と、前記圧力チャンバ１３０からインクが吐出されるノズル２１０と、を備える。このようなインク流路を形成する構成要素は、前記のように、二つの基板１００，２００に分けられて配置される。
【００３４】
具体的に、上部基板１００には、前記インクインレット１１０、マニホールド１２０及び複数の圧力チャンバ１３０が形成される。前記マニホールド１２０は、上部基板１００の底面に所定の深さに形成され、一方向に長く延びた形状を有する。前記インクインレット１１０は、上部基板１００を垂直に貫通して形成され、前記マニホールド１２０の一端部に連結される。前記複数の圧力チャンバ１３０は、前記マニホールド１２０の両側に２列に配列される。一方、前記複数の圧力チャンバ１３０は、前記マニホールド１２０の一側に１列にのみ配列されてもよい。このような複数の圧力チャンバ１３０のそれぞれは、上部基板１００の底面に所定の深さに形成され、インクの流れの方向にさらに長い直方体の形状を有し得る。そして、前記のように、複数の圧力チャンバ１３０がマニホールド１２０の両側に２列に配列される場合には、前記マニホールド１２０を左右に分離させる隔壁１２５が前記マニホールド１２０の内部にその長手方向に長く形成され得る。このような隔壁１２５によれば、前記マニホールド１２０の両側に配列された圧力チャンバ１３０相互間のクロストークが効果的に防止され得る。
【００３５】
前記上部基板１００は、半導体集積回路の製造に広く使用される単結晶シリコンウェーハで形成され、特に、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハで形成されることが望ましい。ＳＯＩウェーハは、一般的に第１シリコン層１０１と、第１シリコン層１０１上に形成された中間酸化膜１０２と、中間酸化膜１０２上に接着される第２シリコン層１０３との積層構造を有している。前記第１シリコン層１０１は、シリコン単結晶で形成され、数百μｍの厚さ、例えば、約２１０μｍの厚さを有する。前記中間酸化膜１０２は、前記第１シリコン層１０１の表面を酸化させることによって形成され、その厚さは、約２μｍである。前記第２シリコン層１０３も、シリコン単結晶で形成され、数μｍないし数十μｍの厚さであり、例えば、約１３μｍの厚さを有する。このように、上部基板１００としてＳＯＩウェーハを使用する理由は、前記圧力チャンバ１３０の深さを正確に調節できるためである。すなわち、前記圧力チャンバ１３０の形成過程で、ＳＯＩウェーハの中間層をなす中間酸化膜１０２がエッチング停止層の役割を行うので、第１シリコン層１０１の厚さが決まれば、前記圧力チャンバ１３０の深さも共に決まる。また、前記圧力チャンバ１３０の上部壁をなす第２シリコン層１０３は、圧電アクチュエータ１９０により曲がり変形されることによって圧力チャンバ１３０の体積を変化させる振動板の役割を行うが、この振動板の厚さも第２シリコン層１０３の厚さにより決まる。これについては後述する。
【００３６】
前記マニホールド１２０は、前記圧力チャンバ１３０の深さより浅く形成され得る。この場合、前記マニホールド１２０の上部に位置する上部基板１００が十分に厚いので、一方向に長く形成された前記マニホールド１２０によりプリントヘッドの強度が低下するという短所を防止できる。
【００３７】
一方、前記マニホールド１２０は、前記圧力チャンバ１３０の深さと同じに形成されてもよい。この場合、後述するように、前記圧力チャンバ１３０及びマニホールド１２０の製造工程がさらに単純化されるという長所がある一方、前記マニホールド１２０の上部に位置する上部基板１００が薄くなるという短所がある。したがって、このような短所を補完するために、前記上部基板１００の第２シリコン層１０３の厚さを十分に厚くすることが望ましい。この場合、前記圧力チャンバ１３０の上部に位置する第２シリコン層１０３にその上面から所定深さの溝（図示せず）を形成し、その溝の内部に圧電アクチュエータ１９０を形成することによって、前記圧力チャンバ１３０の上部の振動板をなす第２シリコン層１０３の厚さを適正な厚さに合わせることがさらに望ましい。
【００３８】
前記上部基板１００上には圧電アクチュエータ１９０が形成される。そして、上部基板１００と圧電アクチュエータ１９０との間には、シリコン酸化膜１８０が形成され得る。前記シリコン酸化膜１８０は、絶縁膜としての機能だけでなく、上部基板１００と圧電アクチュエータ１９０との間の拡散を抑制し、熱的ストレスを調節する機能も有する。前記圧電アクチュエータ１９０は、共通電極の役割を行う下部電極１９１と、電圧の印加によって変形される圧電膜１９２と、駆動電極の役割を行う上部電極１９３とを備える。前記下部電極１９１は、前記のシリコン酸化膜１８０の全面に形成され、一つの導電金属物質層で形成されても良いが、Ｔｉ及びＰｔで形成された二つの金属薄膜層から構成されたことが望ましい。このような下部電極１９１は、共通電極の役割を行うだけでなく、その上に形成される圧電膜１９２とその下側の上部基板１００との相互拡散を防止する拡散防止層の役割も行う。前記圧電膜１９２は、下部電極１９１上に形成され、前記複数の圧力チャンバ１３０のそれぞれの上部に位置するように配置される。このような圧電膜１９２は、圧電物質、望ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料で形成され得る。前記圧電膜１９２は、電圧の印加により変形され、その変形により圧力チャンバ１３０の上部壁をなす上部基板１００の第２シリコン層１０３、すなわち、振動板を曲がり変形させる役割を行う。前記上部電極１９３は、圧電膜１９２上に形成され、圧電膜１９２に電圧を印加する駆動電極の役割を行う。
【００３９】
前記下部基板２００には、前記マニホールド１２０と複数の圧力チャンバ１３０のそれぞれの一端部とを連結する個別流路である複数のリストリクタ２２０と、インクを吐出するための複数のノズル２１０と、が形成される。前記下部基板２００は、半導体集積回路の製造に広く使用される単結晶シリコンウェーハで形成され、数百μｍの厚さ、例えば、約２４５μｍの厚さを有する。
【００４０】
前記複数のリストリクタ２２０のそれぞれは、前記下部基板２００の上面に所定深さ、例えば、約２０μｍ〜４０μｍの深さに形成され、その一端は、マニホールド１２０に連結され、その他端は、圧力チャンバ１３０に連結される。このようなリストリクタ２２０は、マニホールド１２０から圧力チャンバ１３０に適正量のインクを供給する役割を行うだけでなく、インクが吐出されるとき、圧力チャンバ１３０からマニホールド１２０側にインクが逆流することを抑制する役割も行う。
【００４１】
前記複数のノズル２１０のそれぞれは、前記複数の圧力チャンバ１３０のそれぞれの他端部に対応する位置に前記下部基板２００を垂直に貫通するように形成される。前記ノズル２１０は、下部基板２００の上部に形成されたインク導入部２１１と、下部基板２００の下部に形成され、インクが吐出されるインク吐出口２１２とで形成され得る。前記インク吐出口２１２は、一定の直径を有する垂直ホール状に形成され、前記インク導入部２１１は、圧力チャンバ１３０からインク吐出口２１２側に行くほど、次第にその断面積が縮小するピラミッド状に形成され、約２３０μｍ〜２３５μｍの深さを有し得る。
【００４２】
前記のように形成された二つの基板１００，２００は、前記のように積層されて互いに接合されることにより、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを構成する。そして、二つの基板１００，２００の内部には、インクインレット１１０、マニホールド１２０、リストリクタ２２０、圧力チャンバ１３０及びノズル２１０が順に連結されて形成されたインク流路が形成される。
【００４３】
図７Ａ及び図７Ｂは、図５に示すリストリクタの変形例を示す部分垂直断面図である。
まず、図７Ａに示すように、下部基板２００の上面に所定の深さに形成されるリストリクタ２２０’は、互いに離隔された二つの部分２２１，２２２に分けられ、この二つの部分２２１，２２２は、上部基板１００の底面に所定の深さに形成された連結溝２２３を通じて互いに連結され得る。
【００４４】
このように構成されたリストリクタ２２０’は、インクの吐出時にインクの逆流をさらに効果的に防止できるという長所を有する。
次いで、図７Ｂに示すように、リストリクタ２２０”は、図５に示すリストリクタ２２０に比べて深く、かつ長く形成され得る。すなわち、前記リストリクタ２２０”は、その一端が前記隔壁１２５に隣接するように延びた形状を有して、前記マニホールド１２０と重畳される部分が増加する。
【００４５】
このように構成されたリストリクタ２２０”は、マニホールド１２０から圧力チャンバ１３０に供給されるインクの流量を十分に増加させうるという長所がある。
以下では、前記のような構成を有する本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明する。インク保存庫（図示せず）からインクインレット１１０を通じてマニホールド１２０の内部に流入されたインクは、複数のリストリクタ２２０，２２０’，２２０”を通じて複数の圧力チャンバ１３０のそれぞれの内部に供給される。前記圧力チャンバ１３０の内部にインクが充填されている状態で、圧電アクチュエータ１９０の上部電極１９３を通じて圧電膜１９２に電圧が印加されれば、圧電膜１９２は変形され、これにより振動板の役割を行う上部基板１００の第２シリコン層１０３が下側に曲がる。前記第２シリコン層１０３の曲がり変形により圧力チャンバ１３０の体積が減少し、これによる圧力チャンバ１３０内の圧力の上昇により、圧力チャンバ１３０内のインクは、ノズル２１０を通じて外部へ吐出される。
【００４６】
次いで、圧電アクチュエータ１９０の圧電膜１９２に印加された電圧が遮断されれば、圧電膜１９２は原状復元され、これにより、振動板の役割を行う第２シリコン層１０３が原状に復元されつつ、圧力チャンバ１３０の体積が増加する。これによる圧力チャンバ１３０内の圧力の低下と、ノズル２１０内に形成されたインクのメニスカスによる表面張力とにより、マニホールド１２０からリストリクタ２２０，２２０’，２２０”を通じて圧力チャンバ１３０の内部にインクが流入される。
【００４７】
図８Ａは、本発明及び従来の圧電方式のプリントヘッドにおいて、駆動周波数によるインクの吐出速度の変化を比較して示すグラフであり、図８Ｂは、本発明及び従来の圧電方式のプリントヘッドにおいて、駆動周波数によるインク液滴の体積の変化を比較して示すグラフである。
【００４８】
まず、図８Ａに示すように、駆動周波数の変化によるインク液滴の吐出速度においては、本発明の望ましい実施形態に係るインクジェットプリントヘッドと、図３に示す従来のインクジェットプリントヘッドとの差はほとんどないということが分かる。すなわち、本発明の望ましい実施形態に係るインクジェットプリントヘッドでのインク液滴の吐出速度は、平均的に約７.３２ｍ／ｓであり、図３に示す従来のインクジェットプリントヘッドでのインク液滴の吐出速度は、平均的に約７.２９ｍ／ｓである。
【００４９】
次いで、図８Ｂに示すように、図３に示す従来のインクジェットプリントヘッドにおいては、駆動周波数が約１７ｋＨｚを超えれば、インク液滴の体積が急減して下限線から逸脱するということが分かる。一方、本発明の望ましい実施形態に係るインクジェットプリントヘッドにおいては、駆動周波数が約２０ｋＨｚである場合にも、インク液滴の体積はそれぞれ５％の上限線と下限線との間の範囲内に維持されるということが分かる。実際に、本発明の望ましい実施形態に係るインクジェットプリントヘッドにおいては、駆動周波数が２３.０２ｋＨｚであるとき、インク液滴の体積が下限線から逸脱する。
【００５０】
このように、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、高い駆動周波数でも安定したインク吐出の性能を有するという長所がある。したがって、本発明によれば、さらに速い印刷速度を有するプリンタを具現できる。
以下では、前記の構成を有する本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法を説明する。
【００５１】
まず、本発明の望ましい製造方法を概略的に説明すれば、インク流路をなす構成要素が形成された上部基板と下部基板とをそれぞれ製造し、次いで、製造された二つの基板を積層して接合した後、最後に、上部基板上に圧電アクチュエータを形成することによって、本発明に係る圧電方式の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とを製造する工程は、順序に関係なく行われ得る。すなわち、下部基板が先に製造されても良く、二つの基板が同時に製造されても良い。但し、説明の便宜上、下記では、上部基板、下部基板の順にそれぞれの製造方法を説明する。
【００５２】
図９Ａないし図９Ｃは、図４に示す本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板の上面にアラインメントマークを形成する工程を説明するための断面図である。
図９Ａに示すように、本実施形態で上部基板１００は、単結晶シリコン基板で形成される。これは、半導体素子の製造に広く使用されるシリコンウェーハをそのまま使用できて、量産に効果的である。そして、上部基板１００としてＳＯＩウェーハを使用することが、圧力チャンバ（図４の１３０）の高さを正確に形成できるので望ましい。ＳＯＩウェーハは、前記のように、第１シリコン層１０１と、第１シリコン層１０１上に形成された中間酸化膜１０２と、中間酸化膜１０２上に接着された第２シリコン層１０３との積層構造を有している。
【００５３】
まず、約６５０μｍの厚さの第１シリコン層１０１と、約２μｍの厚さを有する中間酸化膜１０２と、約１３μｍの厚さを有する第２シリコン層１０３とで形成された上部基板１００を準備する。次いで、上部基板１００の第１シリコン層１０１を化学的−機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によりその厚さを減った後、上部基板１００の全体をクリーニングする。このとき、前記第１シリコン層１０１は、圧力チャンバ（図５の１３０）の深さによって適切な厚さ、例えば、約２１０μｍの厚さに減り得る。そして、上部基板１００のクリーニングには、アセトン及びイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などを使用した有機クリーニング法と、硫酸及びＢＯＥ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｔｃｈａｎｔ）などを使用した酸クリーニング法と、ＳＣ１（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｌｅａｎ １）クリーニング法とが使用されうる。
このようにクリーニングされた上部基板１００を湿式及び乾式酸化させれば、上部基板１００の上面及び底面には、約５,０００Å〜１５,０００Åの厚さを有するシリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂが形成される。
【００５４】
次いで、図９Ｂに示すように、上部基板１００の上面に形成されたシリコン酸化膜１５１ａの上面にフォトレジストＰＲ１を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ１をパターニングすることにより、上部基板１００の上面の端部にアラインメントマークを形成するための開口部１４８を形成する。このとき、フォトレジストＰＲ１のパターニングは、露光及び現像を含む公知のフォトリソグラフィ方法により行われ、後述する他のフォトレジストのパターニングも、それと同じ方法で行われ得る。
【００５５】
次いで、図９Ｃに示すように、パターニングされたフォトレジストＰＲ１をエッチングマスクとして、前記開口部１４８を通じて露出された部位のシリコン酸化膜１５１ａをエッチングし、次いで、上部基板１００を所定の深さにエッチングすることによってアラインメントマーク１４１を形成する。このとき、前記シリコン酸化膜１５１ａに対するエッチングは、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）のような乾式エッチング法またはＢＯＥを使用した湿式エッチング法により行われ得る。上部基板１００に対するエッチングは、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を利用したＲＩＥのような乾式エッチング法や、シリコン用のエッチング液、例えば、テトラメチル水酸化アンモニウム（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ：ＴＭＡＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用した湿式エッチング法により行われ得る。
【００５６】
そして、前記の有機クリーニング法及び／または酸クリーニング法により前記フォトレジストＰＲ１を除去する。このとき、前記フォトレジストＰＲ１は、アッシングにより除去されてもよい。このようなフォトレジストＰＲ１の除去方法は、後述する他のフォトレジストの除去にも利用され得る。
【００５７】
一方、前記では、シリコン酸化膜１５１ａ及び上部基板１００をエッチングした後にフォトレジストＰＲ１を除去すると説明したが、フォトレジストＰＲ１をエッチングマスクとしてシリコン酸化膜１５１ａをエッチングした後、フォトレジストＰＲ１を除去した後に、シリコン酸化膜１５１ａをエッチングマスクとして上部基板１００をエッチングしても良い。
【００５８】
これにより、図９Ｃに示すように、上面の端部にアラインメントマーク１４１が形成された状態の上部基板１００が準備される。
図１０Ａないし図１０Ｇは、上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
まず、図１０Ａに示すように、上部基板１００の底面のシリコン酸化膜１５１ｂの表面にフォトレジストＰＲ２を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ２をパターニングすることにより、上部基板１００の底面にマニホールド（図４の１２０）を形成するための開口部１２９を形成する。このとき、上部基板１００の底面の端部にアラインメントマークを形成するための開口部１４９も共に形成され得る。そして、マニホールドの内部に隔壁（図４の１２５）を形成する場合には、隔壁が形成される部位にフォトレジストＰＲ２を残存させる。
【００５９】
次いで、図１０Ｂに示すように、前記開口部１２９、１４９を通じて露出された部位のシリコン酸化膜１５１ｂをフォトレジストＰＲ２をエッチングマスクとしてＲＩＥのような乾式エッチング法、またはＢＯＥを使用した湿式エッチング法にエッチングすることによって、上部基板１００の底面を部分的に露出させる。次いで、前記フォトレジストＰＲ２を前記の方法により除去する。
【００６０】
次いで、図１０Ｃに示すように、露出された上部基板１００の底面とシリコン酸化膜１５１ａの表面とに再びフォトレジストＰＲ３を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ３をパターニングすることにより、上部基板１００の底面に圧力チャンバ（図４の１３０）を形成するための開口部１３９と、インクインレット（図４の１１０）を形成するための開口部（図示せず）とを形成する。
【００６１】
次いで、図１０Ｄに示すように、前記開口部１３９を通じて露出された部位のシリコン酸化膜１５１ｂを、フォトレジストＰＲ３をエッチングマスクとして前記の乾式エッチング法または湿式エッチング法にエッチングすることによって、上部基板１００の底面を部分的に露出させる。
【００６２】
次いで、図１０Ｅに示すように、前記フォトレジストＰＲ３をエッチングマスクとして、前記開口部１３９を通じて露出された部位の上部基板１００を所定の深さに１次エッチングして圧力チャンバ１３０の一部を形成する。このとき、インクインレット（図４の１１０）の一部も共に形成される。そして、上部基板１００に対する１次エッチングは、ＩＣＰを利用したＲＩＥのような乾式エッチング法により行われ得る。また、１次エッチングの深さは、圧力チャンバ（図４の１３０）とマニホールド（図４の１２０）との深さの差によって決まる。例えば、圧力チャンバ１３０の最終深さが２１０μｍであり、マニホールド（図４の１２０）の深さが１６０μｍである場合に、１次エッチングの深さは約５０μｍとなる。
【００６３】
次いで、図１０Ｆに示すように、前記フォトレジストＰＲ３を前記の方法により除去する。それにより、マニホールドを形成するための開口部１２９と、アラインメントマークを形成するための開口部１４９とを通じて上部基板１００の底面が露出される。
次いで、図１０Ｇに示すように、露出された部位の上部基板１００の底面を、シリコン酸化膜１５１ｂをエッチングマスクとして２次エッチングすることによって、圧力チャンバ１３０とマニホールド１２０とを形成する。このとき、インクインレット（図４の１１０）も圧力チャンバ１３０と同じ深さに形成され、アラインメントマーク１４２は、マニホールド１２０と同じ深さに形成される。そして、マニホールド１２０の内部には、これを左右に分離させる隔壁１２５が形成される。
【００６４】
前記上部基板１００に対する２次エッチングも、ＩＣＰを利用したＲＩＥのような乾式エッチング法により行われ得る。また、図示されているように、上部基板１００としてＳＯＩウェーハを使用すれば、ＳＯＩウェーハの中間酸化膜１０２がエッチング停止層の役割を行うので、２次エッチングの工程では、第１シリコン層１０１のみがエッチングされる。したがって、第１シリコン層１０１の厚さを調節すれば、圧力チャンバ１３０を所望の深さに正確に合わせ得る。
【００６５】
これにより、その底面にインクインレット１１０、マニホールド１２０及び圧力チャンバ１３０が形成された上部基板１００が完成される。一方、前記インクインレット１１０は、後述するように、最後の工程で上部基板１００を垂直に貫通するように後加工される。
【００６６】
一方、前記では、前記マニホールド１２０が圧力チャンバ１３０の深さより浅く形成される場合を説明したが、前記のように、前記マニホールド１２０は、前記圧力チャンバ１３０の深さと同じに形成されても良い。この場合には、前記圧力チャンバ１３０とマニホールド１２０とを共に形成できるので、製造工程がさらに単純化される。具体的に説明すれば、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す工程で、マニホールド１２０を形成するための開口部１２９と共に、圧力チャンバ１３０を形成するための開口部１３９とインクインレット１１０を形成するための開口部とを形成する。次いで、前記開口部１２９，１３９を通じて上部基板１００の底面を中間酸化膜１０２が露出されるまで乾式エッチングする。それにより、一回のエッチング工程により同じ深さを有するインクインレット１１０、マニホールド１２０及び圧力チャンバ１３０が形成され得る。
【００６７】
図１１Ａないし図１１Ｊは、下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
図１１Ａに示すように、本実施形態で下部基板２００も単結晶シリコン基板で形成される。まず、約６５０μｍの厚さの下部基板２００を準備する。次いで、下部基板２００をＣＭＰによりその厚さを約２４５μｍに減らした後、下部基板２００の全体をクリーニングする。このとき、下部基板２００のクリーニングには、前記の有機クリーニング法と、酸クリーニング法と、ＳＣ１クリーニング法とが使用されうる。
【００６８】
このように、クリーニングされた下部基板２００を湿式及び乾式酸化させれば、下部基板２００の上面及び底面には、約５,０００Å〜１５,０００Åの厚さを有するシリコン酸化膜２５１ａ，２５１ｂが形成される。
次いで、図１１Ｂに示すように、下部基板２００の底面の端部にアラインメントマーク２４２を形成できる。前記アラインメントマーク２４２は、前記の図９Ａないし図９Ｃに示す方法と同じ方法により形成され得る。
【００６９】
次いで、下部基板２００の上面のシリコン酸化膜２５１ａの表面にフォトレジストＰＲ４を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ４をパターニングすることにより、下部基板２００の上面にリストリクタ（図４の２２０）を形成するための開口部２２８を形成する。このとき、下部基板２００の上面の端部にアラインメントマークを形成するための開口部２４８も共に形成され得る。
【００７０】
一方、図７Ａに示すリストリクタ２２０’を形成する場合には、前記リストリクタ２２０’の形状に一致するように、前記開口部２２８を互いに離隔された二つの部分に形成する。この場合、上部基板１００の底面に連結溝（図７Ａの２２３）を形成し、前記連結溝の形成は、図１０Ａに示す工程以前に行われ得る。
そして、図７Ｂに示すリストリクタ２２０”を形成する場合には、前記開口部２２８を、上部基板１００に形成された隔壁１２５に対応する部分に隣接するように延びた形状に形成する。
【００７１】
次いで、図１１Ｃに示すように、前記開口部２２８，２４８を通じて露出された部位のシリコン酸化膜２５１ａを、フォトレジストＰＲ４をエッチングマスクとしてＲＩＥのような乾式エッチング法、またはＢＯＥを使用した湿式エッチング法でエッチングすることによって、下部基板２００の上面を部分的に露出させる。次いで、前記フォトレジストＰＲ４を前記の方法により除去する。
【００７２】
次いで、図１１Ｄに示すように、シリコン酸化膜２５１ａをエッチングマスクとして、露出された部位の下部基板２００の上面を約２０μｍ〜４０μｍの深さにエッチングすることによって、リストリクタ２２０及びアラインメントマーク２４１を形成する。このとき、下部基板２００に対するエッチングは、ＩＣＰを利用したＲＩＥのような乾式エッチング法や、シリコン用のエッチング液として、例えば、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを使用した湿式エッチング法により行われ得る。前記下部基板２００の上面を乾式エッチングする場合には、前記リストリクタ２２０の側面は垂直に形成され、下部基板２００の上面を湿式エッチングする場合には、前記リストリクタ２２０の側面は傾いて形成される。
【００７３】
次いで、図１１Ｅに示すように、前記下部基板２００を前記のクリーニング法を使用してクリーニングした後、クリーニングされた下部基板２００を湿式及び乾式酸化させて、下部基板２００の上面及び底面に約５,０００Å〜６,０００Åの厚さを有するシリコン酸化膜２５１ａ，２５１ｂを再び形成する。それにより、図１１Ｅに示すように、リストリクタ２２０の内面とアラインメントマーク２４１，２４２の内面とにもシリコン酸化膜２５１ａ，２５１ｂが形成される。
【００７４】
次いで、下部基板２００の上面のシリコン酸化膜２５１ａの表面に再びフォトレジストＰＲ５を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ５をパターニングすることにより、下部基板２００の上面にノズル（図４の２１０）のインク導入部（図４の２１１）を形成するための開口部２１８を形成する。
【００７５】
次いで、図１１Ｆに示すように、フォトレジストＰＲ５をエッチングマスクとして、前記開口部２１８を通じて露出された部位のシリコン酸化膜２５１ａをエッチングすることによって、下部基板２００の上面を部分的に露出させる。このとき、シリコン酸化膜２５１ａに対するエッチングは、前記のような乾式エッチング法または湿式エッチング法により行われ得る。
【００７６】
次いで、フォトレジストＰＲ５を除去した後、下部基板２００を硫酸及びＢＯＥなどを使用した酸クリーニング法でクリーニングする。
次いで、図１１Ｇに示すように、露出された部位の下部基板２００をシリコン酸化膜２５１ａをエッチングマスクとして所定の深さ、例えば、約２３０μｍ〜２３５μｍの深さにエッチングすることによって、ノズルのインク導入部２１１を形成する。このとき、下部基板２００のエッチングは、シリコン用のエッチング液として、例えば、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを使用した湿式エッチング法により行われ得る。それにより、下部基板２００の内部の結晶面による異方性湿式エッチングの特性によりピラミッド状のインク導入部２１１が形成され得る。
【００７７】
次いで、図１１Ｈに示すように、下部基板２００の底面に形成されたシリコン酸化膜２５１ｂの表面にフォトレジストＰＲ６を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ６をパターニングして、下部基板２００の底面にノズルのインク吐出口（図４の２１２）を形成するための開口部２１９を形成する。
【００７８】
次いで、図１１Ｉに示すように、前記開口部２１９を通じて露出された部位のシリコン酸化膜２５１ｂを、フォトレジストＰＲ６をエッチングマスクとして湿式エッチングまたは乾式エッチングして除去することによって、下部基板２００の底面を部分的に露出させた後、前記フォトレジストＰＲ５を除去する。
【００７９】
次いで、図１１Ｊに示すように、シリコン酸化膜２５１ｂをエッチングマスクとして露出された部位の下部基板２００が貫通されるようにエッチングすることによって、インク導入部２１１と連通されるインク吐出口２１２を形成する。このとき、下部基板２００のエッチングは、ＩＣＰ ＲＩＥ法を利用した乾式エッチングにより行われ得る。
これにより、インク導入部２１１及びインク吐出口２１２で形成されたノズル２１０が貫通形成され、リストリクタ２２０がその上面に形成された下部基板２００が完成される。
【００８０】
図１２は、下部基板上に上部基板を積層して接合する工程を説明するための断面図である。
図１２に示すように、前記工程を経て準備された下部基板２００上に上部基板１００を積層し、それらを互いに接合させる。このとき、二つの基板１００，２００のそれぞれに形成されたアラインメントマーク１４１，１４２，２４１，２４２を利用すれば、配列精度が向上し得る。そして、二つの基板１００，２００の接合は、公知のシリコン直接接合（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ：ＳＤＢ）法により行われ得る。
【００８１】
以上のように、二つの基板１００，２００、３００を積層して接合すれば、インクジェットプリントヘッドにおいて、インク流動のためのインク流路が全て連結される。
図１３は、上部基板上に圧電アクチュエータを形成して、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成する工程を説明するための断面図である。
【００８２】
図１３に示すように、下部基板１００と中間基板２００とを積層して接合した状態で、上部基板１００の上面に絶縁膜としてシリコン酸化膜１８０を形成する。しかし、このシリコン酸化膜１８０を形成する工程は、前記の上部基板１００の製造工程で、上部基板１００の上面に既にシリコン酸化膜１５１ａが形成されているので省略できる。
【００８３】
次いで、シリコン酸化膜１８０上に圧電アクチュエータの下部電極１９１を形成する。前記下部電極１９１は、Ｔｉ及びＰｔで形成された二つの金属薄膜層から構成され得る。この場合、前記下部電極１９１は、シリコン酸化膜１８０の全面にＴｉ及びＰｔをそれぞれ所定の厚さにスパッタリングすることにより形成され得る。
【００８４】
次いで、前記下部電極１９１上に圧電膜１９２及び上部電極１９３を形成する。具体的に、ペースト状態の圧電材料をスクリーンプリンティングにより圧力チャンバ１３０の上部に所定の厚さに塗布した後、これを所定時間乾燥させる。前記圧電材料としては、多様なものが使用されうるが、望ましくは、通常的なＰＺＴセラミック材料が使用される。次いで、乾燥された圧電膜１９２上に電極材料、例えば、Ａｇ−Ｐｄペーストをプリンティングして上部電極１９３を形成する。次いで、圧電膜１９２と上部電極１９３とを所定の温度、例えば、９００〜１,０００℃で焼結させる。次いで、前記圧電膜１９２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を経れば、上部基板１００上に下部電極１９１、圧電膜１９２及び上部電極１９３からなる圧電アクチュエータ１９０が形成される。
【００８５】
最後に、前記のように、図１０Ｇに示す工程で、上部基板１００の底面に圧力チャンバ１３０と共に所定の深さに形成されたインクインレット（図４の１１０）を後加工により貫通させる。例えば、接着テープを利用してインクインレット１１０の上部に残存した上部基板１００の薄い部分を剥がせば、上部基板１００を垂直に貫通するインクインレット１１０が形成される。
【００８６】
これにより、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドが完成される。
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。例えば、本発明でプリントヘッドの各構成要素を形成する方法は、単に例示されたものであって、多様なエッチング法が適用され、製造方法の各工程の順序も例示されたものと異なり得る。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、インクジェットプリントヘッドに関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を説明するための断面図である。
【図２】従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの具体的な一例を示す分解斜視図である。
【図３】従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの具体的な他の例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の望ましい実施形態に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して示す分解斜視図である。
【図５】図４に表示されたＡ−Ａ’線のプリントヘッドの垂直断面図である。
【図６】図５に表示されたＢ−Ｂ’線のプリントヘッドの垂直断面図である。
【図７Ａ】図５に示すリストリクタの変形例を示す部分垂直断面図である。
【図７Ｂ】図５に示すリストリクタの変形例を示す部分垂直断面図である。
【図８Ａ】本発明及び従来の圧電方式のプリントヘッドにおいて駆動周波数によるインクの吐出速度の変化を比較して示すグラフである。
【図８Ｂ】本発明及び従来の圧電方式のプリントヘッドにおいて駆動周波数によるインク液滴の体積の変化を比較して示すグラフである。
【図９Ａ】図４に示す本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板の上面にアラインメントマークを形成する工程を説明するための断面図である。
【図９Ｂ】図４に示す本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板の上面にアラインメントマークを形成する工程を説明するための断面図である。
【図９Ｃ】図４に示す本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板の上面にアラインメントマークを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ａ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｂ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｃ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｄ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｅ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｆ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１０Ｇ】上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ａ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｂ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｃ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｄ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｅ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｆ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｇ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｈ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｉ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１１Ｊ】下部基板にリストリクタ及びノズルを形成する工程を説明するための断面図である。
【図１２】下部基板上に上部基板を積層して接合する工程を説明するための断面図である。
【図１３】上部基板上に圧電アクチュエータを形成して、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成する工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１００  上部基板
１０１  第１シリコン層
１０２  中間酸化膜
１０３  第２シリコン層
１１０  インクインレット
１２０  マニホールド
１２５  隔壁
１３０  圧力チャンバ
１８０  シリコン酸化膜
１９０  圧電アクチュエータ
１９１  下部電極
１９２  圧電膜
１９３  上部電極
２００  下部基板
２１０  ノズル
２１１  インク導入部
２１２  インク吐出口
２２０  リストリクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2006199036.tif 000009
【図７Ｂ】
2006199036.tif 000010
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2006199036.tif 000017
【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
2006199036.tif 000029
【図１１Ｈ】
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【図１１Ｉ】
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【図１１Ｊ】
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【図１２】
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【図１３】
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