(57)【要約】【課題】  一体型インクジェットプリントヘッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  インクチャンバ、マニホールド、インクチャンネルが形成された基板と、基板の表面から所定深さに形成されてインクチャンバの側面を定義する側壁と、基板の表面から所定深さに形成されてインクチャンバの底面を定義する底壁と、基板上に積層されて絶縁物質よりなる多数の保護層と、保護層上に積層されて熱伝導性金属物質よりなる熱発散層とを含み、インクチャンバと連結されるノズルが貫通形成されたノズルプレートと、ノズルプレートの保護層間に設けられるヒーターと、導体と、を備えるインクジェットプリントヘッド。これにより、エッチング防止壁の役割をする側壁と底壁により最適の平面形状および深さを持つインクチャンバが形成できるので、隣接したノズル間の間隔を狭めることができて高解像度の画像が印刷できる高いＤＰＩのインクジェットプリントヘッドが具現できる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側には吐出されるインクが充填されるインクチャンバが形成され、背面側には前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホールドが形成され、前記インクチャンバと前記マニホールドとの間にはインクチャンネルが貫通形成された基板と、
前記基板の表面から所定深さに形成されて前記インクチャンバの側面を定義する側壁と、
前記基板の表面から所定深さに形成されて前記インクチャンバの底面を定義する底壁と、
前記基板上に積層されて絶縁物質よりなる複数の保護層と、前記保護層上に積層されて熱伝導性金属物質よりなる熱発散層とを含み、前記インクチャンバと連結されるノズルが貫通形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバ内部のインクを加熱するヒーターと、
前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記ヒーターと電気的に接続されて前記ヒーターに電流を印加する導体と、
を備えることを特徴とする一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項２】
前記側壁および底壁は前記基板をなす物質と異なる物質からなることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項３】
前記側壁および底壁をなす物質はシリコン酸化物であることを特徴とする請求項２に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項４】
前記側壁は前記インクチャンバを矩形の形態に取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項５】
前記インクチャンバは前記側壁および底壁により１０〜８０μｍの深さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項６】
前記基板は下部シリコン基板と絶縁層と上部シリコン基板とが順次積層されたＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項７】
前記ＳＯＩ基板の上部シリコン基板に前記インクチャンバおよび側壁が形成され、前記ＳＯＩ基板の絶縁層が前記底壁をなすことを特徴とする請求項６に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項８】
前記ヒーターは前記ノズルと平面上で重畳しない位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項９】
前記ノズルは前記インクチャンバの中心部に対応する位置に配置され、前記ヒーターは前記ノズルの両側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１０】
前記ノズルおよびヒーターは前記インクチャンバの中心部を基準にその両側にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項８に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１１】
前記インクチャンネルは前記基板を垂直に貫通して前記インクチャンバと前記マニホールドとを連結できる位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１２】
前記インクチャンネルは少なくとも一つを備え、前記インクチャンネルを通じて前記マニホールドから前記インクチャンバにインクが供給されることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１３】
前記保護層は、前記基板と前記ヒーターとの間に設けられた少なくとも一層の保護層と、前記ヒーターと前記熱発散層との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１４】
前記保護層は、前記基板と前記導体との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、前記導体と前記熱発散層との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１５】
前記複数の保護層には前記ノズルの下部が形成され、前記熱発散層には前記ノズルの上部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１６】
前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は出口側へ行くほど断面積が小さくなるテーパー状になっていることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１７】
前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は柱状になっていることを特徴とする請求項１５に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１８】
前記熱発散層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれはニッケル、銅、アルミニウムおよび金よりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなることを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項１９】
前記熱発散層は電気メッキにより１０〜１００μｍの厚さに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項２０】
前記熱発散層は前記保護層に形成されたコンタクトホールを通じて前記基板の表面に接触することを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項２１】
前記保護層および前記基板の少なくとも一部分上に前記熱発散層の電気メッキのためのシード層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項２２】
前記シード層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれは銅、クロム、チタン、金およびニッケルよりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなることを特徴とする請求項２１に記載の一体型インクジェットプリントヘッド。
【請求項２３】
基板の表面側に側壁および底壁で取り囲まれた犠牲層を形成する段階と、
前記基板上に複数の保護層を順次積層しつつヒーターおよび前記ヒーターに接続される導体を前記保護層間に形成する段階と、
前記保護層上に金属よりなる熱発散層を形成しつつインクを吐出するノズルを前記保護層および前記熱発散層を貫通するように形成して、前記保護層および前記熱発散層よりなるノズルプレートを前記基板に形成する段階と、
前記側壁および底壁をエッチング防止壁として利用して前記ノズルを通じて露出された前記犠牲層をエッチングして、前記側壁および底壁により限定されるインクチャンバを形成する段階と、
前記基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホールドを形成する段階と、
前記マニホールドと前記インクチャンバとの間の前記基板を貫通するようにエッチングしてインクチャンネルを形成する段階と、
を備えることを特徴とする一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２４】
前記犠牲層形成段階は、
前記基板の表面をエッチングして所定深さの溝を形成する段階と、
前記溝が形成された前記基板の表面を酸化させてシリコン酸化物よりなる前記側壁および底壁を形成する段階と、
前記側壁および底壁で取り囲まれた前記溝の内部に所定の物質を充填して前記犠牲層を形成する段階と、
前記基板および前記犠牲層の表面を平坦化する段階と、
を含むことを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２５】
前記溝の内部に犠牲層を形成する段階は、ポリシリコンをエピタキシャル工程により成長させて前記溝内部を充填することを特徴とする請求項２４に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２６】
前記犠牲層形成段階は、
ＳＯＩ基板の上部シリコン基板を所定深さにエッチングしてトレンチを形成する段階と、
前記トレンチ内部に所定物質を充填して前記側壁を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２７】
前記所定の物質はシリコン酸化物であることを特徴とする請求項２６に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２８】
前記保護層形成段階は、
前記基板の表面に第１保護層を形成する段階と、
前記第１保護層上に前記ヒーターを形成する段階と、
前記第１保護層および前記ヒーター上に第２保護層を形成する段階と、
前記第２保護層上に前記導体を形成する段階と、
前記第２保護層および前記導体上に第３保護層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項２９】
前記第３保護層は、前記ヒーターおよび導体の上部とそれに隣接した部位に形成されることを特徴とする請求項２８に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３０】
前記熱発散層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれはニッケル、銅、アルミニウムおよび金よりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなることを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３１】
前記熱発散層は電気メッキにより１０〜１００μｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３２】
前記熱発散層およびノズル形成段階は、
前記犠牲層上部の前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、
上部ノズルを形成するためのメッキ鋳型を前記下部ノズル内部から垂直方向に形成する段階と、
前記保護層上に前記熱発散層を電気メッキにより形成する段階と、
前記メッキ鋳型を除去して前記下部ノズルおよび前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項２３に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３３】
前記下部ノズルは前記保護層を反応性イオンエッチングによりドライ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３２に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３４】
前記メッキ鋳型はフォトレジストまたは感光性ポリマーよりなることを特徴とする請求項３２に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３５】
前記保護層上に前記熱発散層の電気メッキのためのシード層を形成することを特徴とする請求項３２に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３６】
前記シード層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれは銅、クロム、チタン、金およびニッケルよりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質を蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項３５に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３７】
前記熱発散層を形成する段階後に、前記熱発散層の上面を化学機械的研磨工程により平坦化する段階をさらに備えることを特徴とする請求項３２に記載の一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項３８】
前記マニホールドが形成された前記基板の背面側で前記基板をドライエッチングして前記インクチャンネルを形成することを特徴とする請求項２３に記載の一体型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関し、より詳細には高密度のノズル配置が可能であって高解像度の印刷を具現できる熱駆動方式の一体型インクジェットプリントヘッドおよ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、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて所定色相の画像で印刷する装置である。かかるインクジェットプリントヘッドはインク液滴の吐出メカニズムによって２つの方式に大別できる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によりインク液滴を吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリンタヘッドであり、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でインク液滴を吐出させる圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドである。
【０００３】
前記熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにおけるインク液滴吐出メカニズムをさらに詳細に説明すれば次の通りである。抵抗発熱体よりなるヒーターにパルス状の電流が流れれば、ヒーターで熱が発生しつつヒーターに隣接したインクを短時間の内に加熱することによってインクが沸騰しつつバブルが生成され、その生成されたバブルが膨脹してインクチャンバ内に充填されたインクに圧力を加える。これによってノズル付近にあるインクがノズルを通じて液滴の形でインクチャンバの外に吐出される。
【０００４】
ここで、バブルの成長方向およびインク液滴の吐出方向によって前記熱駆動方式はまたトップシューティング、サイドシューティング、バックシューティング方式に分類される。トップシューティング方式はバブルの成長方向およびインク液滴の吐出方向が同じ方式であり、サイドシューティング方式はバブルの成長方向とインク液滴の吐出方向とが直角をなす方式であり、そしてバックシューティング方式はバブルの成長方向とインク液滴の吐出方向とが互いに反対のインク液滴吐出方式である。
【０００５】
このような熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドは一般的に次のような要件を満たさねばならない。第１に、なるべくその製造が簡単でかつ製造コストが低くて量産が可能でなければならない。第２に、高画質の画像を得るためには隣接したノズル間の干渉は抑制しつつも隣接したノズル間の間隔はなるべく狭くなければならない。すなわち、ＤＰＩ（ｄｏｔｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）を高めるためには多数のノズルを高密度に配置する必要がある。第３に、高速印刷のためには、インクチャンバからインクが吐出された後にインクチャンバにインクがリフィルされる周期がなるべく短くなければならない。すなわち、加熱されたインクが迅速に冷却されて駆動周波数を高める必要がある。
【０００６】
図１ないし図３には従来のバックシューティング方式のインクジェットプリントヘッドの例が図示されている。
【０００７】
図１は、特許文献１に開示されたインクジェットプリントヘッドの構造を示した斜視図である。
【０００８】
図１を参照すれば、インクジェットプリントヘッド２０はインク液滴が吐出されるノズル１０および吐出されるインクが充填されるインクチャンバ１６が形成された基板１１、インクチャンバ１６とインクコンテナ１２とを連結する貫通ホール２が形成されたカバープレート３、インクチャンバ１６にインクを供給するためのインクコンテナ１２が順次積層された構造を持つ。ここで、前記基板１１のノズル１０周囲にはヒーター２２が環状に配置されている。
【０００９】
前記の構造で、ヒーター２２にパルス状の電流が供給されてヒーター２２に熱が発生すれば、インクチャンバ１６内のインクは沸騰してバブルが生成される。生成されたバブルは膨脹し続け、それによりインクチャンバ１６内に充填されたインクに圧力が加えられてノズル１０を通じてインク液滴が外部に吐出される。次に、インクコンテナ１２からカバープレート３に形成された貫通ホール２を通じてインクチャンバ１６内部にインクが吸入されてインクチャンバ１６は再びインクで充填される。
【００１０】
ところで、このような構造を持つ従来のインクジェットプリントヘッド２０では、インクチャンバ１６の高さが基板１１の厚さとほぼ同一であるので、非常に薄い基板を使用しなければインクチャンバ１６が大きくなる。したがって、インクを吐出するのに使われるバブルの圧力が周囲のインクによって分散されてしまい、結果的に吐出特性が悪くなる。一方、インクチャンバ１６を小さくするために薄い基板を使用すれば、その基板を加工し難くなる。すなわち、現在の一般的なインクジェットプリントヘッドでのインクチャンバの高さは１０〜３０μｍ程度であって、この程度の高さを持つインクチャンバを形成するためには１０〜３０μｍ程度の厚さを持つシリコン基板を使用する必要がある。しかし、半導体工程ではこのような厚さのシリコン基板を加工することは不可能である。
【００１１】
また、前記のような構造のインクジェットプリントヘッド２０を製造するためには、基板１、カバープレート３、インクコンテナ１２を別途に製作してボンディングする必要がある。したがって、その製造工程が複雑になり、かつボンディング時の誤整列によって吐出特性に敏感に影響を与える要素であるインク流路を精巧に形成できないという問題点がある。
【００１２】
図２Ａおよび図２Ｂには、特許文献２に開示された一体型インクジェットプリントヘッドが図示されている。
【００１３】
図２Ａおよび図２Ｂを共に参照すれば、シリコン基板３０の表面側には半球形のインクチャンバ３２が形成されており、基板３０の背面側にはインク供給のためのマニホールド３６が形成されており、インクチャンバ３２の底面にはインクチャンバ３２とマニホールド３６とを連結するインクチャンネル３４が貫通形成されている。そして、基板３０上には複数の物質層４１、４２、４３が積層されてなるノズルプレート４０が基板３０と一体に形成されている。ノズルプレート４０にはインクチャンバ３２の中心部に対応する位置にノズル４７が形成されており、ノズル４７の周囲には導体４６に接続されたヒーター４５が配置されている。ノズル４７の端部にはインクチャンバ３２の深さ方向に延長したノズルガイド４４が形成されている。前記ヒーター４５で発生した熱は絶縁層４１を通じてインクチャンバ３２内部のインク４８に伝えられ、それにより、インク４８は沸騰してバブル４９が生成される。生成されたバブル４９は膨脹しつつインクチャンバ３２内に充填されたインク４８に圧力を加え、それにより、インク４８はノズル４７を通じて液滴４８′の形で吐出される。次いで、大気と接触するインク４８の表面に作用する表面張力により、マニホールド３６からインクチャンネル３４を通じてインク４８が吸入されつつインクチャンバ３２に再びインク４８が充填される。
【００１４】
前記のような構造を持つ従来の一体型インクジェットプリントヘッドにおいては、シリコン基板３０およびノズルプレート４０が一体に形成されて製造工程が簡単でかつ誤整列の問題点が解消される長所がある。
【００１５】
ところで、図２Ａおよび図２Ｂに図示された一体型インクジェットプリントヘッドにおいては、インクチャンバ３２を形成するためにノズル４７を通じて基板３０を等方性エッチングするが、それによりインクチャンバ３２が半球形に形成される。したがって、所定の体積を持つインクチャンバ３２を形成するためにはインクチャンバ３２の半径が一定以上維持されねばならないが、隣接したノズル４７間の間隔をさらに狭めてノズル密度を高めるには限界がある。言い換えれば、隣接したノズル４７間の間隔をさらに狭めるためにはインクチャンバ３２の半径を縮めなければならないが、それはインクチャンバ３２の体積を減らす結果になるので望ましくない。
【００１６】
したがって、従来の一体型インクジェットプリントヘッドの構造では、さらに高解像度の画像が印刷できる高いＤＰＩを持つインクジェットプリントヘッドに対して、要求される最近の勢いに応じてさらに高密度のノズル配列を具現するには限界がある。
【００１７】
図３には、特許文献３に開示されたインクジェットプリントヘッドが図示されている。
【００１８】
図３を参照すれば、インクジェットプリントヘッドはノズル５１が形成されたノズル板５０、インクチャンバ６１およびインクチャンネル６２が形成された絶縁層６０、前記インクチャンバ６１にインクを供給するためのマニホールド５５が形成されたシリコン基板７０が順次積層された構造である。
【００１９】
このようなインクジェットプリントヘッドは、基板７０上に積層された絶縁層６０を利用してインクチャンバ６１を形成することによってインクチャンバ６１の形状を任意に定めることができ、かつ逆流現象も減らしうる長所がある。
【００２０】
ところで、このようなインクジェットプリントヘッドの製造において、シリコン基板７０上に厚い絶縁層６０を蒸着し、それをエッチングしてインクチャンバ６１を形成する方法が一般的に使われるが、そのような方法は次のような問題がある。第１に、現存する半導体工程では基板７０上に厚い絶縁層６０を積層し難く、第２に、厚い絶縁層６０をエッチングし難いという点である。したがって、このようなインクジェットプリントヘッドはインクチャンバ６１の高さに一定の限界があり、それにより図３に図示されたようにインクチャンバ６１およびノズル５１がほぼ６μｍ程度の高さを持つ。しかし、この程度のインクチャンバ６１の高さでは比較的大きいサイズのインク液滴を吐出できるインクジェットプリントヘッドを製作することは不可能である。
【特許文献１】米国特許第５，５０２，４７１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５３３，３９９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３８２，７８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、特にノズル間の間隔をさらに狭めうる形のインクチャンバを備えて高解像度の画像が印刷できる熱駆動方式の一体型インクジェットプリントヘッドおよ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】
【００２２】
前記技術的課題を解決するための本発明による一体型インクジェットプリントヘッドは、表面側には吐出されるインクが充填されるインクチャンバが形成され、背面側には前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホールドが形成され、前記インクチャンバと前記マニホールドとの間にはインクチャンネルが貫通形成された基板と、前記基板の表面から所定深さに形成されて前記インクチャンバの側面を定義する側壁と、前記基板の表面から所定深さに形成されて前記インクチャンバの底面を定義する底壁と、前記基板上に積層されて絶縁物質よりなる多数の保護層と前記保護層上に積層されて熱伝導性金属物質よりなる熱発散層とを含み、前記インクチャンバと連結されるノズルが貫通形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバ内部のインクを加熱するヒーターと、前記ノズルプレートの前記保護層間に設けられ、前記ヒーターと電気的に接続されて前記ヒーターに電流を印加する導体と、を備える。
【００２３】
ここで、前記側壁および底壁は前記基板をなす物質と異なる物質、たとえば、シリコン酸化物よりなる。
【００２４】
前記側壁は前記インクチャンバを矩形の形態に取り囲むことが望ましく、前記インクチャンバは前記側壁および底壁より１０〜８０μｍの深さに形成されることが望ましい。
【００２５】
前記基板としては、下部シリコン基板と絶縁層と上部シリコン基板とが順次積層されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が使われる。その場合、前記ＳＯＩ基板の上部シリコン基板に前記インクチャンバおよび側壁が形成され、前記ＳＯＩ基板の絶縁層が前記底壁をなす。
【００２６】
前記ヒーターは前記ノズルと平面上で重畳しない位置に配置される。たとえば、前記ノズルは前記インクチャンバの中心部に対応する位置に配置され、前記ヒーターは前記ノズルの両側に配置される。一方、前記ノズルおよびヒーターは前記インクチャンバの中心部を基準にその両側にそれぞれ配置されることもある。
【００２７】
前記インクチャンネルは前記基板を垂直に貫通して前記インクチャンバと前記マニホールドとを連結できる位置に設けられる。そして、前記インクチャンネルは少なくとも一つ、望ましくは複数が備えられる。
【００２８】
前記保護層は、前記基板と前記ヒーターとの間に設けられた少なくとも一層の保護層と、前記ヒーターと前記熱発散層との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、を含む。
【００２９】
そして、前記保護層は、前記基板と前記導体との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、前記導体と前記熱発散層との間に設けられた少なくとも一層の保護層と、を含む。
【００３０】
また、前記ヒーターおよび導体上に設けられる保護層は前記導体およびヒーターの上部とそれに隣接した部位とに形成されることが望ましい。
【００３１】
前記多数の保護層には前記ノズルの下部が形成され、前記熱発散層には前記ノズルの上部が形成されることが望ましい。その場合、前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は出口側へ行くほど断面積が小さくなるテーパー状になっていることが望ましい。一方、前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は柱状になっている。
【００３２】
前記熱発散層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれはニッケル、銅、アルミニウムおよび金よりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなることが望ましい。そして、前記熱発散層は電気メッキにより１０〜１００μｍの厚さに形成されたことが望ましい。また、前記熱発散層は前記保護層に形成されたコンタクトホールを通じて前記基板の表面に接触することが望ましい。
【００３３】
前記保護層および前記基板の少なくとも一部分上に前記熱発散層の電気メッキのためのシード層が形成される。その場合、前記シード層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれは銅、クロム、チタン、金およびニッケルよりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなる。
【００３４】
そして、本発明による一体型インクジェットプリントヘッドの製造方法は、基板の表面側に側壁および底壁で取り囲まれた犠牲層を形成する段階と、前記基板上に複数の保護層を順次積層しつつヒーターおよび前記ヒーターに接続される導体を前記保護層間に形成する段階と、前記保護層上に金属よりなる熱発散層を形成しつつインクを吐出するノズルを前記保護層および前記熱発散層を貫通するように形成して、前記保護層および前記熱発散層よりなるノズルプレートを前記基板に形成する段階と、前記側壁および底壁をエッチング防止壁として利用して前記ノズルを通じて露出された前記犠牲層をエッチングして、前記側壁および底壁により限定されるインクチャンバを形成する段階と、前記基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホールドを形成する段階と、前記マニホールドと前記インクチャンバとの間の前記基板を貫通するようにエッチングしてインクチャンネルを形成する段階と、を備える。
【００３５】
ここで、前記犠牲層形成段階は、前記基板の表面をエッチングして所定深さの溝を形成する段階と、前記溝が形成された前記基板の表面を酸化させてシリコン酸化物よりなる前記側壁および底壁を形成する段階と、前記側壁および底壁で取り囲まれた前記溝の内部に所定の物質を充填して前記犠牲層を形成する段階と、前記基板および前記犠牲層の表面を平坦化する段階と、を含む。その場合、前記溝の内部に犠牲層を形成する段階は、ポリシリコンをエピタキシャル工程により成長させて前記溝内部を充填することが望ましい。
【００３６】
一方、前記犠牲層形成段階は、ＳＯＩ基板の上部シリコン基板を所定深さにエッチングしてトレンチを形成する段階と、前記トレンチ内部に所定物質を充填して前記側壁を形成する段階と、を含む。その場合、前記所定の物質はシリコン酸化物であることが望ましい。
【００３７】
前記保護層形成段階は、前記基板の表面に第１保護層を形成する段階と、前記第１保護層上に前記ヒーターを形成する段階と、前記第１保護層および前記ヒーター上に第２保護層を形成する段階と、前記第２保護層上に前記導体を形成する段階と、前記第２保護層および前記導体上に第３保護層を形成する段階と、を含むことが望ましい。その時、前記第３保護層は、前記ヒーターおよび導体の上部とそれに隣接した部位とに形成されることが望ましい。
【００３８】
前記熱発散層は一層または複数層の金属層よりなり、前記金属層それぞれはニッケル、銅、アルミニウムおよび金よりなる群から選択されたいずれか一つの金属物質よりなる。そして、前記熱発散層は電気メッキにより１０〜１００μｍの厚さに形成されることが望ましい。
【００３９】
前記熱発散層およびノズル形成段階は、前記犠牲層上部の前記保護層をエッチングして下部ノズルを形成する段階と、上部ノズルを形成するためのメッキ鋳型を前記下部ノズル内部から垂直方向に形成する段階と、前記保護層上に前記熱発散層を電気メッキにより形成する段階と、前記メッキ鋳型を除去して前記下部ノズルおよび前記上部ノズルよりなる前記ノズルを形成する段階と、を含むことが望ましい。
【００４０】
前記下部ノズルは前記保護層を反応性イオンエッチングによりドライエッチングすることによって形成され、前記メッキ鋳型はフォトレジストまたは感光性ポリマーよりなり、前記保護層上に前記熱発散層の電気メッキのためのシード層を形成できる。
【００４１】
前記熱発散層を形成する段階後に、前記熱発散層の上面を化学機械的研磨工程により平坦化する段階をさらに備えることが望ましい。
【００４２】
前記インクチャンネルは、前記マニホールドが形成された前記基板の背面側で前記基板をドライエッチングすることによって形成される。
【発明の効果】
【００４３】
本発明による一体型インクジェットプリントヘッドおよびその製造方法は次のような効果を持つ。
【００４４】
第１に、エッチング防止壁の役割をする側壁および底壁により最適の平面形状および深さを持つインクチャンバが形成でき、それにより隣接したノズル間の間隔を狭めて高解像度の画像を印刷できる高いＤＰＩのインクジェットプリントヘッドが具現できる。
【００４５】
第２に、厚さの厚い金属よりなる熱発散層により放熱能力が向上するので、インク吐出性能および駆動周波数が向上する。また、ノズルの長さが十分に長く確保できて、メニスカスをノズル内に保持できるので安定したインクのリフィルが可能であり、かつ吐出されるインク液滴の直進性が向上する。
【００４６】
第３に、ヒーター、ノズル、インクチャンバおよびインクチャンネルなどの形状及び寸法などが互いに関連せずにインクジェットプリントヘッドの設計および製作において自由度が高いため、インク吐出性能および駆動周波数を容易に向上させうる。
【００４７】
第４に、インクチャンバおよびインクチャンネルが形成された基板上にノズルプレートが一体化して形成されるので、別途の後工程なしに単一ウェーハ上で一連の工程を通じてインクジェットプリントヘッドが具現できて収率が向上し、かつ製造工程も単純化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、添付された図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。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大きさは説明の明瞭性および便宜のために誇張されることがある。また、ある層が基板や他の層上に存在すると説明される時、その層は基板や他の層に直接接してその上に存在することもあり、その間に第３の層が存在することもある。
【００４９】
図４は、本発明の望ましい実施例による一体型インクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。
【００５０】
図４を参照すれば、チップ状態に製造されるインクジェットプリントヘッドの表面には多数のノズル１０８が２列に配置されており、その両側の端部にはワイヤーにボンディングされるボンディングパッド１０１が配置されている。図面では、前記ノズル１０８が２列に配置されているが、１列に配置されることもあり、解像度をさらに高めるために３列以上に配置されることもある。
【００５１】
図５は、図４のＢ部分を拡大して図示した図面であって、インク流路およびヒーターの形状と配置とを図示した平面図であり、図６は、図５に表示されたＸ−Ｘ′線のインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。
【００５２】
図５および図６を共に参照すれば、インクジェットプリントヘッドはマニホールド１０２、インクチャンネル１０４、インクチャンバ１０６、ノズル１０８につながるインク流路を持つ。
【００５３】
前記インクチャンバ１０６は吐出されるインクが充填される空間であって、基板１１０の表面側に所定深さ、望ましくは１０μｍ〜８０μｍの深さに形成される。そして、前記インクチャンバ１０６は、その平面形状及び広さを限定する側壁１１１とその深さを限定する底壁１１２とによりその側面および底面が定義される。前記側壁１１１および底壁１１２は、後述するように基板１１０のエッチングによるインクチャンバ１０６の形成過程でエッチング防止壁として機能する。したがって、本発明において前記インクチャンバ１０６は前記側壁１１１および底壁１１２により所望の寸法通りに非常に正確に形成される。すなわち、前記インクチャンバ１０６はインク液滴の吐出性能を向上させうる最適の体積、具体的に最適の断面積及び深さを持つ。
【００５４】
そして、前記側壁１１１により限定されるインクチャンバ１０６は多様な平面形状に形成される。特に、前記インクチャンバ１０６は方形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向の長さが長い矩形の平面形状を持つように形成される。このようにインクチャンバ１０６の幅が狭まればノズル１０８間の間隔を狭められるので、多数のノズル１０８をさらに高密度に配列可能になって高解像度の画像が印刷できる高いＤＰＩのインクジェットプリントヘッドが具現できる。
【００５５】
前記側壁１１１および底壁１１２は基板１１０をなす物質と異なる物質よりなる。それは、前記のようにインクチャンバ１０６の形成過程で前記側壁１１１および底壁１１２がエッチング防止壁として機能可能にするためである。したがって、基板１１０がシリコンウェーハよりなる場合には、前記側壁１１１および底壁１１２はシリコン酸化物よりなることが望ましい。
【００５６】
前記マニホールド１０２は、基板１１０の背面側に形成されてインクを保存しているインクコンテナ（図示せず）と連結される。したがって、前記マニホールド１０２はインクコンテナからインクチャンバ１０６にインクを供給する役割をする。
【００５７】
前記インクチャンネル１０４はインクチャンバ１０６とマニホールド１０２との間の基板１１０を垂直に貫通して形成される。図面で、前記インクチャンネル１０４はインクチャンバ１０６の中心部に対応する位置に形成されていると図示されているが、前記インクチャンネル１０４はインクチャンバ１０６とマニホールド１０２とを垂直に連結可能ないなかる位置にも形成されうる。そして、インクチャンネル１０４は円形や多角形など多様な断面形状を持つことができる。また、インクチャンネル１０４はインクの供給速度などを考慮して一つまたは複数個が備えられる。
【００５８】
前記のようにインクチャンバ１０６、インクチャンネル１０４、マニホールド１０２が形成されている基板１１０の上部にはノズルプレート１２０が設けられる。前記ノズルプレート１２０はインクチャンバ１０６の上部壁をなす。このノズルプレート１２０にはインクチャンバ１０６からインクが吐出されるノズル１０８が垂直に貫通して形成される。
【００５９】
前記ノズルプレート１２０は基板１１０上に積層された多数の物質層よりなる。この物質層は第１ないし第３保護層１２１、１２３、１２５と熱発散層１２８とを含む。そして、第１および第２保護層１２１、１２３間にはヒーター１２２が設けられ、第２保護層１２３と第３保護層１２５との間には導体１２４が設けられる。
【００６０】
前記第１保護層１２１はノズルプレート１２０をなす多数の物質層のうち最下層の物質層であって基板１１０の上面に形成される。前記第１保護層１２１はその上に形成されるヒーター１２２とその下の基板１１０との間の絶縁およびヒーター１２２の保護のための物質層であって、シリコン酸化物やシリコン窒化物よりなる。
【００６１】
前記第１保護層１２１上にはインクチャンバ１０６の上部に位置してインクチャンバ１０６内部のインクを加熱するヒーター１２２が形成される。このヒーター１２２は不純物がドーピングされたポリシリコン、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物またはタングステンシリサイドなどの抵抗発熱体よりなる。前記ヒーター１２２は前記インクチャンバ１０６の上部で前記ノズル１０８と平面上で重畳しない位置に設けられる。具体的に、前記ヒーター１２２はノズル１０８の両側にそれぞれ配置され、その形状は方形、望ましくはノズル１０８の配列方向と平行な方向に長い矩形である。一方、前記ヒーター１２２は一つだけ備えられることもあり、その配置や形状も図５に図示されたものと違ってもよい。例えば、前記ヒーター１２２はノズル１０８を取り囲む環状に形成されることもある。
【００６２】
前記第２保護層１２３は第１保護層１２１およびヒーター１２２上に設けられる。前記第２保護層１２３はその上に設けられる熱発散層１２８とその下のヒーター１２２との間の絶縁およびヒーター１２２の保護のために設けられる。前記第２保護層１２３も第１保護層１２１と同じくシリコン窒化物またはシリコン酸化物よりなる。
【００６３】
前記第２保護層１２３上にはヒーター１２２と電気的に接続されてヒーター１２２にパルス状の電流を印加する導体１２４が設けられる。前記導体１２４の一端部は第２保護層１２３に形成された第１コンタクトホールＣ１を通じてヒーター１２２の両端部それぞれに接続され、その他端部は前記ボンディングパッド１０１に電気的に接続される。そして、前記導体１２４は導電性の良好な金属、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金または金や銀よりなる。
【００６４】
前記第３保護層１２５は前記導体１２４および第２保護層１２３上に設けられる。前記第３保護層１２５はＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）酸化物、シリコン酸化物またはシリコン窒化物よりなる。一方、前記第３保護層１２５は、その絶縁機能を損傷しない範囲内で前記ヒーター１２２および導体１２４の上部とそれに隣接した部位とにのみ形成し、それ以外の部位、例えば少なくともインクチャンバ１０６の上部を外れた部位のうち前記導体１２４が設置されていない部位にはなるべく形成しないことが望ましい。それは、後述する熱発散層１２８と基板１１０との間の間隔が狭くなることによって熱抵抗が減少して熱発散層１２８の放熱能力がさらに向上するからである。また、前記第３保護層１２５は、電流が印加される間にはヒーター１２２で発生した熱がインクチャンバ１０６に充填されたインクにさらに多く供給されるようにし、電流印加が終了した後にはヒーター１２２及びその周辺に蓄積された熱が熱発散層１２８を通じて基板１１０に円滑に放熱されるように所定の厚さ、望ましくは０．５μｍ〜３μｍ程度の厚さに形成される。
【００６５】
前記熱発散層１２８は第３保護層１２５および第２保護層１２３上に設けられ、第２保護層１２３および第１保護層１２１を貫通して形成された第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０の上面に接触する。前記熱発散層１２８は熱伝導性の良好な金属物質、例えばニッケル、銅、アルミニウムまたは金などの金属物質よりなる。そして、前記熱発散層１２８は一層の金属層または複数層の金属層よりなる。このような熱発散層１２８は、第３保護層１２５および第２保護層１２３上に前記金属物質を電気メッキすることによって１０〜１００μｍ程度に比較的厚く形成される。そのために、第３保護層１２５および第２保護層１２３上には前記金属物質の電気メッキのためのシード層１２７が設けられる。前記シード層１２７は銅、クロム、チタン、金またはニッケルなどの電気伝導性の良好な金属物質よりなる。そして、前記シード層１２７も一層または複数層の金属層よりなる。
【００６６】
前記のように、金属よりなる熱発散層１２８はメッキ工程により形成されるため、インクジェットプリントヘッドの他の構成要素と一体に形成され、また比較的厚く形成されるので効果的な放熱がなされる。
【００６７】
このような熱発散層１２８は、前記第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０の上面に接触してヒーター１２２およびその周辺の熱を外部に発散する機能をする。すなわち、インクが吐出された後にヒーター１２２およびその周辺に残留する熱は熱発散層１２８を通じて基板１１０に伝導されて外部に発散される。したがって、インクが吐出された後にさらに速い放熱がなされてヒーター１２２およびノズル１０８周囲の温度が低くなるので、高い駆動周波数で安定した印刷が可能になる。
【００６８】
一方、前記のように熱発散層１２８は比較的厚く形成できるのでノズル１０８の長さを十分に長く確保できる。したがって、安定した高速印刷が可能になり、ノズル１０８を通じて吐出されるインク液滴の直進性が向上する。すなわち、吐出されるインク液滴が基板１１０に対して正確に垂直な方向に吐出される。
【００６９】
前記ノズルプレート１２０には下部ノズル１０８ａおよび上部ノズル１０８ｂよりなるノズル１０８が貫通して形成される。前記下部ノズル１０８ａはノズルプレート１２０の第１ないし第３保護層１２１、１２３、１２５を貫通する柱状に形成される。そして、前記上部ノズル１０８ｂは熱発散層１２８を貫通して形成されるが、この上部ノズル１０８ｂの形状は柱状でもよいが、図示されたように出口側へ行くほど断面積が小さくなるテーパー状が望ましい。このように、上部ノズル１０８ｂの形状がテーパー状である場合には、インクの吐出後にインク表面のメニスカスがさらに速く安定する長所がある。
【００７０】
図７は、本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。図７に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造は図５および図６に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造と類似しているので、下ではそれら間の差異点を中心に簡略に説明する。
【００７１】
図７を参照すれば、側壁２１１および底壁２１２により限定されるインクチャンバ２０６はほぼ方形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向の長さが長い矩形の平面形状を持つように形成される。前記インクチャンバ２０６の中心部に対応する位置にノズル２０８およびインクチャンネル２０４が形成される。そして、前記インクチャンバ２０６の上部にはヒーター２２２が形成されるが、このヒーター２２２はノズル２０８の両側にそれぞれ配置され、その形状は方形、望ましくはインクチャンバ２０６の長さ方向と平行な方向に長い矩形である。前記ヒーター２２２の両端部それぞれには第１コンタクトホールＣ１を通じて導体２２４が接続される。そして、前記インクチャンバ２０６の両側には熱発散層を基板に接触させるための第２コンタクトホールＣ２が配置される。
【００７２】
図８は、本発明のさらに他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。図８に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造も図５および図６に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造と類似しているので、下ではそれら間の差異点を中心に簡略に説明する。
【００７３】
図８を参照すれば、側壁３１１および底壁３１２により限定されるインクチャンバ３０６はほぼ方形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向の長さが長い矩形の平面形状を持つように形成される。本実施例で、インクチャンネル３０４は前記インクチャンバ３０６の中心部に対応する位置に形成される一方、ノズル３０８はインクチャンバ３０６の長さ方向中心部からいずれか一側に外れた位置に形成される。そして、前記インクチャンバ３０６の上部にはヒーター３２２が形成されるが、このヒーター３２２はノズル３０８の一側に配置され、その形状は方形、望ましくはインクチャンバ３０６の幅方向と平行な方向に長い矩形である。前記ヒーター３２２の両端部それぞれには第１コンタクトホールＣ１を通じて導体３２４が接続される。そして、前記インクチャンバ３０６の両側には熱発散層を基板に接触させるための第２コンタクトホールＣ２が配置される。
【００７４】
図９は、本発明のさらに他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す垂直断面図である。図９に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造は複数のインクチャンネルが設けられるという点を除いては図５および図６に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造と同一である。
【００７５】
図９を参照すれば、本実施例のインクジェットプリントヘッドには、基板１１０の背面側に形成されるマニホールド１０２と基板１１０の表面側に形成されるインクチャンバ１０６とを連結するインクチャンネル４０４が２つまたはそれ以上の複数で形成される。このように、前記インクチャンネル４０４が複数で設けられれば、インク供給速度の低下なしに各インクチャンネル４０４の断面積を縮小できるので、インク液滴の吐出時にインクの逆流をさらに容易に抑制でき、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６内に異物が混入されることが防止できる。
【００７６】
以下では図１０Ａないし図１０Ｄを参照して図５に図示された本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明する。
【００７７】
まず図１０Ａを参照すれば、インクチャンバ１０６およびノズル１０８内部にインク１３１が充填された状態で、導体１２４を通じてヒーター１２２にパルス状の電流が印加されればヒーター１２２で熱が発生する。発生した熱はヒーター１２２下の第１保護層１２１を通じてインクチャンバ１０６内部のインク１３１に伝えられる。それにより、図１０Ｂに図示されたように、インク１３１が沸騰してバブル１３２が生成される。生成されたバブル１３２は継続的な熱の供給によって膨脹し、それによりノズル１０８内部のインク１３１はノズル１０８の外に押し出される。
【００７８】
次いで、図１０Ｃを参照すれば、バブル１３２が最大に膨脹した時点で印加した電流を遮断すれば、バブル１３２は収縮して消滅する。この時、インクチャンバ１０６内には負圧がかかってノズル１０８内部のインク１３１は再びインクチャンバ１０６に戻ってくる。それと同時にノズル１０８の外に押し出された部分は慣性力により液滴１３１′の形でノズル１０８内部のインク１３１と分離されて吐出される。
【００７９】
インク液滴１３１′が分離された後、ノズル１０８の内部に形成されるインク１３１表面のメニスカスはインクチャンバ１０６側に後退する。この時、本発明では厚いノズルプレート１２０により十分に長いノズル１０８が形成されているので、メニスカスの後退はノズル１０８内でのみなされ、インクチャンバ１０６内にまで後退しない。したがって、インクチャンバ１０６の内部に外気が流入されることが防止され、メニスカスの初期状態への復帰も速まってインク液滴１３１′の高速吐出を安定的に維持できる。また、この過程でインク液滴１３１′の吐出後にヒーター１２２及びその周辺に残留する熱が熱発散層１２８を通じて伝導されて基板１１０または外部に発散されるので、ヒーター１２２、ノズル１０８およびその周辺の温度がさらに速く低くなる。
【００８０】
次に図１０Ｄを参照すれば、インクチャンバ１０６内部の負圧が消えれば、ノズル１０８の内部に形成されているメニスカスに作用する表面張力によりインク１３１は再びノズル１０８の出口端部方向に上昇する。この時、上部ノズル１０８ｂがテーパー状になっている場合には、インク１３１の上昇速度がさらに速くなる長所がある。それによりインクチャンバ１０６の内部はインクチャンネル１０４を通じて供給されるインク１３１で再充填される。インク１３１のリフィルが完了して初期状態に復帰すれば、前記過程が反復される。この過程でも、熱発散層１２８を通じて放熱がなされて熱的にも初期状態への復帰がさらに速くなされる。
【００８１】
以下では、前記のような構造を持つ本発明による一体型インクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を説明する。
【００８２】
図１１ないし図２２は、図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。一方、図７ないし図９に図示されたインクジェットプリントヘッドの製造方法も後述される製造方法と実質的に同一であるので、これについては下で簡略に言及する。
【００８３】
図１１は、基板の表面に所定深さの溝を形成した状態を図示したものである。
【００８４】
図１１を参照すれば、本実施例で基板１１０としてはシリコンウェーハをほぼ３００〜７００μｍ程度の厚さに加工して使用する。シリコンウェーハは半導体素子の製造に広く使われるものであって、量産に効果的なためである。
【００８５】
一方、図１１に図示されたものはシリコンウェーハの極一部であって、本発明によるインクジェットプリントヘッドは一つのウェーハで数十ないし数百個のチップ状態に製造される。
【００８６】
そして、備えられたシリコン基板１１０の上面にエッチングされる部位を限定するエッチングマスク１１４を形成する。前記エッチングマスク１１４は、基板１１０の上面にフォトレジストを所定厚さに塗布した後、それをパターニングすることによって形成できる。
【００８７】
次いで、前記エッチングマスク１１４を通じて露出された基板１１０をエッチングして所定深さの溝１１６を形成する。前記基板１１０のエッチングは反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ；Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）のようなドライエッチング法によりなされる。前記溝１１６は後でインクチャンバが形成される部分であって、その深さはほぼ１０μｍ〜８０μｍ程度が望ましい。このような溝１１６はインクチャンバの平面形状設計による基板１１０表面のエッチング形態によって多様な形状に形成され、それにより所望の大きさ及び形状、例えば矩形の平面形状を持つインクチャンバを正確に得られる。前記溝１１６を形成した後には基板１１０上のエッチングマスク１１４を除去する。
【００８８】
次いで、図１２に図示されたように、溝１１６が形成されたシリコン基板１１０を酸化させて基板１１０の表面および背面にそれぞれシリコン酸化物層１１７、１１８を形成する。前記基板１１０の表面に形成されたシリコン酸化物層１１７のうち前記溝１１６の側面に形成された部分はインクチャンバの側面を定義する側壁となり、前記溝１１６の底面に形成された部分はインクチャンバの底面を定義する底壁となる。このような側壁および底壁は基板１１０と異なる物質で形成されるので、後述するインクチャンバの形成過程でエッチング防止壁としての機能を果たす。
【００８９】
図１３は、基板の表面に形成された溝内部に犠牲層を形成した後、基板の表面を平坦化した状態を図示したものである。
【００９０】
具体的に、前記溝１１６の内部にポリシリコン層を形成した後、それをエピタキシャル工程により成長させて前記溝１１６内部を完全に満たす犠牲層１１９を形成する。次いで、化学機械的研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって犠牲層１１９および基板１１０の表面を同じ平面に平坦化させる。この時、基板１１０の表面に露出されたシリコン酸化物層１１７も共に除去されるが、溝１１６の側面および底面には前記のようにエッチング防止壁として機能する側壁１１１および底壁１１２が残存する。
【００９１】
図１４は、基板及び犠牲層の表面に第１保護層およびヒーターを形成した状態を図示したものである。
【００９２】
具体的に、前記第１保護層１２１は基板１１０および犠牲層１１９の表面にシリコン酸化物またはシリコン窒化物を蒸着することによってなる。
【００９３】
次いで、基板１１０および犠牲層１１９の上面に形成された第１保護層１２１上にヒーター１２２を形成する。前記ヒーター１２２は、第１保護層１２１の全面に不純物がドーピングされたポリシリコン、タンタル−アルミニウム、タンタル窒化物、チタン窒化物またはタングステンシリサイドなどの抵抗発熱体を所定厚さに蒸着した後、それを所定形状、例えば方形にパターニングすることによって形成できる。具体的に、ポリシリコンは不純物として、例えば燐（Ｐ）のソースガスと共に低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ；Ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりほぼ０．７〜１μｍの厚さに蒸着され、タンタル−アルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物またはタングステンシリサイドはスパッタリングや化学気相蒸着法（ＣＶＤ）によりほぼ０．１〜０．３μｍの厚さに蒸着される。この抵抗発熱体の蒸着厚さは、ヒーター１２２の幅および長さを考慮して適正な抵抗値を持つように他の範囲とすることもある。第１保護層１２１の全面に蒸着された抵抗発熱体は、フォトマスクおよびフォトレジストを利用した写真工程と、フォトレジストパターンをエッチングマスクとしてエッチングするエッチング工程とによりパターニングされる。
【００９４】
次に、図１５に図示されたように、第１保護層１２１およびヒーター１２２の上面に第２保護層１２３を形成する。具体的に、第２保護層１２３はシリコン酸化物またはシリコン窒化物をほぼ０．０５μｍ〜１μｍの厚さに蒸着することによってなる。次いで、第２保護層１２３を部分的にエッチングしてヒーター１２２の一部分、すなわち図１６の段階で導体１２４と接続される部分を露出させる第１コンタクトホールＣ１を形成し、第２保護層１２３と第１保護層１２１とを順次エッチングして基板１１０の一部分、すなわち、以後に形成される熱発散層と接触する部分を露出させる第２コンタクトホールＣ２を形成する。前記第１および第２コンタクトホールＣ１、Ｃ２の形成は同時になされる。
【００９５】
図１６は、第２保護層の上面に導体および第３保護層を形成した状態を図示したものである。具体的に、導体１２４は、第２保護層１２３の上面に電気および熱伝導性の良好な金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀をスパッタリングによりほぼ０．５μｍ〜２μｍの厚さに蒸着し、それをパターニングすることによって形成できる。それにより、導体１２４は第１コンタクトホールＣ１を通じてヒーター１２２と接続される。
【００９６】
次に、第２保護層１２３および導体１２４の上面に第３保護層１２５を形成する。具体的に、第３保護層１２５は、導体１２４と以後に形成される熱発散層間の絶縁のためのものであって、ＴＥＯＳ酸化物をプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりほぼ０．５μｍ〜３μｍ程度の厚さに蒸着することによってなる。次いで、第３保護層１２５を部分的にエッチングしてその絶縁機能を損傷しない範囲内で前記ヒーター１２２および導体１２４の上部とそれに隣接した部位とを除外した部位の第２保護層１２３を露出させる。この時、少なくともインクチャンバ１０６の上部を外れた部位のうち前記導体１２４が設置されていない部位は露出させ、それと同時に第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０も露出させる。それにより、後述する熱発散層１２８と基板１１０との間の間隔が狭まることによって熱抵抗が減少して熱発散層１２８の放熱能力がさらに向上する。
【００９７】
図１７は、下部ノズルを形成した状態を図示したものである。
【００９８】
図１７を参照すれば、前記下部ノズル１０８ａは第３保護層１２５、第２保護層１２３、第１保護層１２１をＲＩＥにより順次エッチングすることによって形成できる。この時、下部ノズル１０８ａにより基板１１０の表面側に形成された犠牲層１１９の一部が露出される。
【００９９】
次に、図１８に図示されたように、図１７の結果物の全面に電気メッキのためのシード層１２７を形成する。前記シード層１２７は電気メッキのために導電性の良好な銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）またはニッケル（Ｎｉ）などの金属をスパッタリングによりほぼ５００〜３０００Åの厚さに蒸着することによってなる。一方、前記シード層１２７は複数層の金属層よりなることもある。
【０１００】
次いで、上部ノズルを形成するためのメッキ鋳型１０９を形成する。前記メッキ鋳型１０９はシード層１２７の全面にフォトレジストを所定厚さに塗布した後、それを上部ノズルの形状にパターニングすることによって形成できる。一方、前記メッキ鋳型１０９はフォトレジストだけでなく感光性ポリマーよりなることもある。具体的に、シード層１２７の全面に上部ノズルの高さよりも若干高い厚さにフォトレジストを塗布する。この時、下部ノズル１０８ａの内部にもフォトレジストを充填する。次いで、フォトレジストをパターニングして上部ノズルが形成される部位および下部ノズル１０８ａ内に充填される部分のみを残す。この時、フォトレジストは上面から下方へ行くほどその断面積が段々広くなるテーパー状にパターニングされる。このようなパターニングは、フォトレジストの上面から所定間隔離れて設置されたフォトマスクを通じてフォトレジストを露光させる近接露光により行われる。この場合、フォトマスクを通過した光は回折され、それによりフォトレジストの露光部位と非露光部位との境界面が傾いて形成される。そして、前記境界面の傾斜度および露光深さは近接露光工程でフォトマスクとフォトレジストとの間の間隔および露光エネルギーにより調節できる。一方、上部ノズルは柱状に形成され、その場合にフォトレジストは柱状にパターニングされる。
【０１０１】
一方、前記メッキ鋳型１０９の形成段階は２段階、すなわち下部ノズル１０８ａの内部空間をフォトレジストで充填して下部メッキ鋳型を形成する第１段階と、上部ノズルを形成するための上部メッキ鋳型を形成する第２段階とに分けられて行われる。この場合、前記シード層１２７を形成する段階は前記第１段階と第２段階との間で行われる。
【０１０２】
次に、図１９に図示されたように、シード層１２７の上面に所定厚さの金属物質よりなる熱発散層１２８を形成する。熱発散層１２８は、熱伝導性の良好な金属、例えばニッケル、銅、アルミニウム（Ａｌ）または金をシード層１２７の表面に電気メッキしてほぼ１０〜１００μｍの厚さに形成できる。この時、前記熱発散層１２８は複数層の金属層よりなることもある。電気メッキ工程は、メッキ鋳型１０９の高さよりも低くて所望の上部ノズルの出口断面積が形成される高さまで熱発散層１２８が形成される時点で終了する。この熱発散層１２８の厚さは、上部ノズルの断面積と断面形状、基板１１０および外部への放熱能力などを考慮して適正に定められる。
【０１０３】
電気メッキが完了した後の熱発散層１２８の表面はその下に形成された物質層により凹凸を持つ。したがって、ＣＭＰにより熱発散層１２８の表面が平坦化できる。
【０１０４】
次いで、メッキ鋳型１０９を除去し、それにより露出された部位のシード層１２７を除去する。メッキ鋳型１０９は通常的なフォトレジストの除去方法により、例えばアセトンにより除去できる。シード層１２７は、熱発散層１２８をなす金属物質とシード層１２７をなす金属物質とのエッチング選択性を考慮してシード層１２７だけを選択的にエッチングできるエッチング液を使用する湿式エッチングによりエッチングできる。例えば、シード層１２７が銅よりなる場合には酢酸ベースエッチング液を、そしてチタンよりなる場合にはＨＦベースエッチング液が使用できる。それにより、図２０に図示されたように下部ノズル１０８ａと上部ノズル１０８ｂとが連結されて完全なノズル１０８が形成され、多数の物質層が積層されてなるノズルプレート１２０が完成される。この時、インクチャンバを形成する空間に充填されている犠牲層１１９の一部表面がノズル１０８を通じて露出される。
【０１０５】
図２１は、基板１１０の表面側にインクチャンバ１０６を形成した状態を図示したものである。インクチャンバ１０６はノズル１０８により露出された犠牲層１１９を等方性エッチングすることによって形成できる。具体的に、ＸｅＦ２ガスまたはＢｒＦ３ガスをエッチングガスとして使用して犠牲層１１９を所定時間ドライエッチングする。この時、犠牲層１１９のエッチングは等方性エッチングによりなされるので、犠牲層１１９はノズル１０８により露出された部分からあらゆる方向に同じ速度でエッチングされる。しかし、エッチング防止壁の役割をする側壁１１１および底壁１１２でさらなるエッチングが止められる。したがって、図示されたように側壁１１１および底壁１１２により限定されるインクチャンバ１０６が形成される。この時、形成されるインクチャンバ１０６の深さは前述した溝１１６の深さとほぼ同様になり、平面形状は側壁１１１の形状により定義される。
【０１０６】
図２２は、基板１１０の背面をエッチングしてマニホールド１０２およびインクチャンネル１０４を形成した状態を図示したものである。具体的に、基板１１０の背面に形成されたシリコン酸化物層１１７のうち一部領域を除去して基板１１０の背面を露出させる。次いで、露出された基板１１０の背面をエッチング液でＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化カルシウム（ＫＯＨ）を使用して湿式エッチングすれば、図示されたように側面が傾いたマニホールド１０２が形成される。一方、マニホールド１０２は基板１１０の背面を異方性ドライエッチングすることによって形成されることもある。次いで、マニホールド１０２が形成された基板１１０の背面にインクチャンネル１０４を限定するエッチングマスクを形成した後、ＲＩＥによりマニホールド１０２とインクチャンバ１０６との間の基板１１０及び底壁１１２をドライエッチングしてインクチャンネル１０４を形成する。この時、インクチャンネル１０４は円形または多角形に形成され、また図９に図示されたように複数形成されることもある。
【０１０７】
前記段階を経れば、図２２に図示されたような構造を持つ本発明による一体型インクジェットプリントヘッドが完成される。
【０１０８】
図２３および図２４は、本発明によるインクジェットプリントヘッドを製造する他の方法を説明するための図面である。この製造方法は犠牲層を形成する段階を除いては前述したインクジェットプリントヘッドの製造方法と同一であるので、以下では犠牲層を形成する段階だけを説明する。
【０１０９】
図２３を参照すれば、まず本インクジェットプリントヘッドの製造方法では、基板として両シリコン基板５１０、５３０間にシリコン酸化物よりなる絶縁層５２０が介在されたＳＯＩ基板５００が使われる。ここで、上部シリコン基板５３０の厚さはほぼ１０μｍ〜８０μｍであり、下部シリコン基板５１０の厚さはほぼ３００μｍ〜７００μｍである。
【０１１０】
備えられた上部シリコン基板５３０の表面をエッチングして絶縁層５２０が露出されるように所定形状のトレンチ５４０を形成する。上部シリコン基板５３０のエッチングはＲＩＥなどのドライエッチング法によりなされる。前記トレンチ５４０はインクチャンバが形成される部位を取り囲む形で形成され、その幅はその内部に所定の物質が容易に充填されるように数μｍ程度に形成される。
【０１１１】
次に、図２４に図示されたように、前記トレンチ５４０にシリコン基板５３０と異なる物質、例えば、シリコン酸化物を充填した後、上部シリコン基板５３０の表面を平坦化させる。それにより、トレンチ５４０内部にはシリコン酸化物よりなる側壁５５１が形成され、その側壁５５１および絶縁層５２０により取り囲まれた部分がインクチャンバを形成するための犠牲層５５０となる。このように、本製造方法によって形成された犠牲層５５０は前述したポリシリコンとは違ってシリコンよりなり、シリコン酸化物よりなる前記側壁５５１および絶縁層５２０はインクチャンバの形成時にエッチング防止壁の役割をする。
【０１１２】
この後の段階らは、前述した図１４ないし図２２に図示された段階と同一である。
【０１１３】
以上、本発明の望ましい実施例を詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、多様な変形および均等な他の実施例が可能である。例えば、本発明でプリントヘッドの各要素を構成するために使われる物質として、例示されていない物質を使用することもある。すなわち、基板はシリコンでない加工性の良好な他の物質に代替でき、側壁、底壁、ヒーター、導体、保護層や熱発散層も同様である。また、各物質の積層および形成方法も単に例示されたものであって、多様な蒸着方法およびエッチング方法が適用できる。併せて、各段階で例示された具体的な数値は、製造されたプリントヘッドが正常に作動できる範囲内でいくらでも例示された範囲を外れて調整可能である。また、本発明のプリントヘッド製造方法の各段階の順序は例示されたものと違ってもよい。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明はノズル間の間隔をさらに狭めうる形のインクチャンバを備えて高解像度の画像が印刷できる熱駆動方式の一体型インクジェットプリントヘッドとその製造方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】従来のインクジェットプリントヘッドの一例を示す斜視図である。
【図２Ａ】従来のインクジェットプリントヘッドの他の例を示す平図面である。
【図２Ｂ】従来のインクジェットプリントヘッドの他の例を示す、図２Ａに表示されたＡ−Ａ′線の垂直断面図である。
【図３】従来のインクジェットプリントヘッドのまた他の例を示す垂直断面図である。
【図４】本発明の望ましい実施例による一体型インクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。
【図５】図４のＢ部分を拡大して示した図面であって、インク流路およびヒーターの形状と配置を示す平面図である。
【図６】本発明の望ましい実施例による、図５に表示されたＸ−Ｘ′線のインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。
【図７】本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。
【図８】本発明のまた他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す垂直断面図である。
【図１０Ａ】図５に図示された本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。
【図１０Ｂ】図５に図示された本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。
【図１０Ｃ】図５に図示された本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。
【図１０Ｄ】図５に図示された本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。
【図１１】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１２】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１３】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１４】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１５】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１６】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１７】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１８】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図１９】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図２０】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図２１】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図２２】図５に図示された本発明によるインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法を段階的に説明するための断面図である。
【図２３】本発明によるインクジェットプリントヘッドを製造する他の方法を説明するための図面である。
【図２４】本発明によるインクジェットプリントヘッドを製造する他の方法を説明するための図面である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０８  ノズル
１０１  ボンディングパッド
【図１】
2004358971.tif 000003
【図２Ａ】
2004358971.tif 000004
【図２Ｂ】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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