KR20050072523A - Inkjet printhead and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 기판; 이 기판 위에 마련되는 것으로, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버를 한정하는 챔버층; 이 챔버층 위에 마련되는 것으로, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출되는 노즐이 형성된 노즐층; 및 기판 상에 형성되어 상기 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키는 히터;를 구비하고, 이 히터는 TaAlN 또는 TiAlN으로 이루어진다.An inkjet printhead and a method of manufacturing the same are disclosed. The disclosed inkjet printhead includes a substrate; A chamber layer provided on the substrate, the chamber layer defining an ink chamber in which ink to be discharged is filled; A nozzle layer provided on the chamber layer, the nozzle layer having a nozzle through which ink is discharged from the ink chamber; And a heater formed on the substrate to heat the ink in the ink chamber to generate bubbles. The heater is made of TaAlN or TiAlN.
Description
본 발명은 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 히터의 재질을 개선함으로써 히터의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inkjet printhead and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an inkjet printhead and a method of manufacturing the same which can improve the life and reliability of the heater by improving the material of the heater.
잉크젯 프린트헤드는 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다. An inkjet printhead is an apparatus for ejecting a small droplet of printing ink to a desired position on a recording sheet to print an image of a predetermined color. Such inkjet printheads can be largely classified in two ways depending on the ejection mechanism of the ink droplets. One is a heat-driven inkjet printhead which generates bubbles in the ink by using a heat source and ejects the ink droplets by the expansion force of the bubbles, and the other is ink due to the deformation of the piezoelectric body using the piezoelectric body. A piezoelectric drive inkjet printhead which discharges ink droplets by a pressure applied thereto.
상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크는 대략 300℃로 순간 가열된다. 이에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다. The ink droplet ejection mechanism of the thermally driven inkjet printhead will be described in detail as follows. When a pulse current flows through a heater made of a resistive heating element, heat is generated in the heater and the ink adjacent to the heater is instantaneously heated to approximately 300 ° C. Accordingly, as the ink boils, bubbles are generated, and the generated bubbles expand and apply pressure to the ink filled in the ink chamber. As a result, the ink near the nozzle is discharged out of the ink chamber in the form of droplets through the nozzle.
한편, 이러한 열구동 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 다시 탑-슈팅(top-shooting) 방식, 사이드-슈팅(side-shooting) 방식 및 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류된다. 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이고, 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 토출 방식을 말한다.On the other hand, such a thermal driving method is a top-shooting method, a side-shooting method and a back-shooting method again according to the bubble growth direction and the ink droplet ejection direction. Are classified. In the top-shooting method, the bubble growth direction and the ink droplet ejection direction are the same. In the side-shooting method, the bubble growth direction and the ink droplet ejection direction are perpendicular to each other. The back-shooting method is the bubble growth. The ink ejection method in which the direction and the ejection direction of ink droplets are opposite to each other.
이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)은 억제하면서도 인접한 노즐 사이의 간격은 가능한 한 좁아야 한다. 즉, DPI(Dots Per Inch)를 높이기 위해서는 다수의 노즐을 고밀도로 배치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필(refill)되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크와 히터의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.Such thermally driven inkjet printheads generally must meet the following requirements. First, the production should be as simple as possible, inexpensive to manufacture, and capable of mass production. Second, in order to obtain a high quality image, the distance between adjacent nozzles should be as narrow as possible while suppressing cross talk between adjacent nozzles. In other words, in order to increase the dots per inch (DPI), it is necessary to be able to arrange a plurality of nozzles at high density. Third, for high speed printing, the period during which ink is refilled in the ink chamber after the ink is ejected from the ink chamber should be as short as possible. That is, the heated ink and the heater should be cooled quickly to increase the driving frequency.
이와 같은 열 구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서, 그 핵심 기술로는 전기 에너지의 열 에너지로의 변환, 잉크의 기화, 액적의 형성, 잉크 채널에서의 잉크 흐름의 정밀 제어 등에 관련된 기술이 있다. 한편, 박막 저항체로 이루어져 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키는 히터는 수 ㎲정도의 짧은 시간 동안에 고온에 도달하고, 또한 수백만번의 가열과 냉각이 반복되기 때문에 안정성과 내구성 유지가 가장 중요하다. 따라서, 히터에 사용되는 재료의 구조 및 화학적, 열적, 기계적 안정성이 전체 제품의 신뢰도에 커다란 영향을 미친다고 할 수 있으며, 제품의 내구성 및 신뢰성을 극대화하기 위해서는 박막으로 형성된 히터의 조성, 응력 및 미세 구조의 조절을 통한 안정성 확보 및 재현성 있는 공정기술 개발이 필수적이라고 할 수 있다.In such thermally driven inkjet printheads, the core technologies are those related to the conversion of electrical energy into thermal energy, vaporization of ink, formation of droplets, precise control of ink flow in ink channels, and the like. On the other hand, a heater made of a thin film resistor converts electrical energy into thermal energy reaches a high temperature for a few short time periods, and also maintains stability and durability because millions of times of heating and cooling are repeated. Therefore, the structure, chemical, thermal and mechanical stability of the material used in the heater can be said to have a great influence on the reliability of the whole product, and in order to maximize the durability and reliability of the product, the composition, stress and fineness of the heater formed of a thin film It is essential to secure stability and develop reproducible process technology by adjusting the structure.
도 1a 및 도 1b는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타낸 절개 사시도 및 그 잉크 액적의 토출과정을 설명하기 위한 단면도이다.1A and 1B are cutaway perspective views illustrating a structure of a conventional thermal drive inkjet printhead and a cross sectional view for explaining a process of discharging the ink droplets.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 기판(10)과, 그 기판(10)위에 설치되어 잉크 챔버(26) 및 잉크 채널(24)을 한정하는 챔버층(14)과, 잉크 챔버(26)의 하부에 설치되는 히터(12)와, 잉크 액적(29 )이 토출되는 노즐(16)이 형성된 노즐층(18)을 구비한다. 상기 히터(12)에 펄스 형태의 전류가 인가되어 히터(12)에서 열이 발생되면 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)가 가열되어 버블(28)이 생성된다. 생성된 버블(28)은 계속적으로 팽창하게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(26) 내에 채워진 잉크(29)에 압력이 가해져 노즐(16)을 통해 잉크 액적(29 )이 외부로 토출된다. 그 다음에, 매니폴드(22)로부터 잉크 채널(24)을 통해 잉크 챔버(26) 내부로 잉크(29)가 흡입되어 잉크 챔버(26)는 다시 잉크(29)로 채워진다.1A and 1B, a thermally driven inkjet printhead includes a substrate 10 and a chamber layer 14 disposed on the substrate 10 to define an ink chamber 26 and an ink channel 24. ) And a nozzle layer 18 having a heater 12 provided below the ink chamber 26, and a nozzle 16 through which the ink droplets 29 are discharged. When a pulse current is applied to the heater 12 to generate heat in the heater 12, the ink 29 filled in the ink chamber 26 is heated to generate bubbles 28. The generated bubbles 28 continue to expand, and thus pressure is applied to the ink 29 filled in the ink chamber 26 so that the ink droplets 29 are discharged to the outside through the nozzles 16. Then, ink 29 is sucked from the manifold 22 through the ink channel 24 into the ink chamber 26 so that the ink chamber 26 is again filled with the ink 29.
상기와 같은 열 구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서, 히터는 주로 TaAl(탄탈륨-알루미늄 합금) 박막으로 이루어진다. 도 2는 Al의 함량에 따른 TaAl 박막의 비저항(resistivity) 변화를 보여주고 있다. 도 2를 참조하면, Al 함량이 25 ~ 55at%인 구간에서 TaAl 박막의 비저항이 일정한 영역이 존재하게 된다. 이 구간에서 TaAl 박막의 비저항 값은 250 ~ 300μΩ㎝가 되며, TaAl 박막의 두께가 1000Å인 경우, 그 면저항(sheet resistance)은 30Ω/sq.가 된다. 한편, 도 3은 Ta와 Al의 이원계 합금의 상태도(phase diagram)을 보여주고 있는데, 도 3을 참조하면, Al의 함량이 25 ~ 55at%인 구간에서는 Ta2Al과 TaAl이 공존하는 구간임을 알 수 있다. 한편, 이러한 TaAl의 결정구조는 비정질(amorphous) 구조이다.In the heat-jet inkjet printhead as described above, the heater is mainly composed of a TaAl (tantalum-aluminum alloy) thin film. 2 shows a change in resistivity of TaAl thin film according to Al content. Referring to FIG. 2, a region having a constant resistivity of a TaAl thin film is present in an Al content of 25 to 55 at%. In this section, the specific resistance of the TaAl thin film is 250 to 300 µΩcm, and when the thickness of the TaAl thin film is 1000 kW, the sheet resistance is 30 kW / sq. Meanwhile, FIG. 3 shows a phase diagram of a binary alloy of Ta and Al. Referring to FIG. 3, Ta 2 Al and TaAl coexist in a section in which the Al content is 25 to 55 at%. Able to know. On the other hand, the TaAl crystal structure is an amorphous (amorphous) structure.
도 4a 및 도 4b는 컬러(color)용 히터(12a) 및 모노(mono)용 히터(12b)의 사이즈를 보여준다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 컬러용 히터(12a) 및 모노용 히터(12a)는 둘다 정사각형 형태를 가지며, 그 사이즈는 컬러용 히터(12a)가 25㎛ × 25㎛이고, 모노용 히터(12b)가 39㎛ × 39㎛으로, 모노용 히터(12b)의 면적이 컬러용 히터(12a)의 면적보다 크다. 4A and 4B show the sizes of the heater 12a for color and the heater 12b for mono. 4A and 4B, the color heater 12a and the mono heater 12a both have a square shape, and the size of the color heater 12a is 25 μm × 25 μm, and the mono heater ( 12b) is 39 micrometers x 39 micrometers, and the area of the mono heater 12b is larger than the area of the color heater 12a.
일반적으로, 프린터의 구동시 그 구동전압은 컬러용과 모노용의 경우에 둘다 동일하다. 한편, 단위 면적당 파워, 즉 파워 밀도(power density)는 구동시 버블의 발생과 깊은 관련이 있는데, 통상적으로 파워 밀도가 1 ~ 2GW/㎝2 이상이 되어야만 버블이 발생된다고 한다. 이상과 같은 사항을 수식으로 표현하면, P/A=VI/A=V2/RA가 되는데, 여기서 P, A, V, I, R은 각각 파워, 히터의 면적, 구동 전압, 구동 전류, 히터의 저항을 나타낸다. 상기의 수식을 참조하면, 컬러용 히터(도 4a의 12a)는 모노용 히터(도 4b의 12b)보다 면적이 작으므로, 동일한 파워 밀도를 갖기 위해서는 컬러용 히터(12a)의 구동 전류는 모노용 히터(12b)의 경우보다 상대적으로 감소되어야 한다. 이는 컬러용 히터(12a)의 저항이 증가되어야 함을 의미한다.In general, the driving voltage at the time of driving a printer is the same for both color and mono. On the other hand, the power per unit area, that is, the power density (power density) is closely related to the generation of bubbles during driving, it is generally said that the bubbles are generated only when the power density is 1 ~ 2GW / cm 2 or more. When the above expression is expressed by a formula, P / A = VI / A = V 2 / RA, where P, A, V, I, and R are power, heater area, drive voltage, drive current, and heater, respectively. Indicates resistance. Referring to the above equation, since the color heater 12a of FIG. 4A has a smaller area than the mono heater 12b of FIG. 4B, the driving current of the color heater 12a is mono for the same power density. It should be relatively reduced than in the case of the heater 12b. This means that the resistance of the color heater 12a should be increased.
도 5에는 TaAl 박막의 두께가 각각 1000Å, 500Å인 경우의 스텝 스트레스 테스트(SST; Step Stress Test)결과가 도시되어 있다. 여기서, TaAl 박막의 두께가 1000Å인 경우, 그 면저항 및 저항값은 각각 30Ω/sq., 30Ω이고, TaAl 박막의 두께가 500Å인 경우, 그 면저항 및 저항값은 각각 60Ω/sq., 60Ω이다. 도 5를 참조하면, TaAl 박막의 두께가 1000Å인 경우에는, 에너지가 3.0μJ이 될 때까지 저항변화가 거의 없는 안정된 상태를 보여주는 반면에, TaAl 박막의 두께가 500Å인 경우에는 초기부터 급격한 저항 변화가 나타난다. 그러나, 실제 잉크젯 프린트헤드에서의 히터는 외부 에너지가 인가될 때 저항 변화없이 안정적으로 발열이 되어야 하므로, 500Å 두께의 TaAl 박막은 히터로서의 가치가 없다고 할 수 있다. 따라서, TaAl 박막으로 이루어진 컬러용 히터의 저항을 증가시키기 위하여 그 두께를 감소시키게 되면, 외부 에너지가 인가됨에 따라 그 저항 변화가 급격해져 히터로서는 사용될 수 없게 되는 문제점에 있다. 5 shows the results of a step stress test (SST) when the thickness of the TaAl thin film is 1000 kPa and 500 kPa, respectively. Here, when the thickness of the TaAl thin film is 1000 kPa, the sheet resistance and the resistance value are 30 kV / sq., 30 kPa, respectively. When the TaAl thin film is 500 kPa, the sheet resistance and the resistance value are 60 kV / sq., 60 kV, respectively. Referring to FIG. 5, when the thickness of the TaAl thin film is 1000 μs, it shows a stable state with almost no resistance change until the energy is 3.0 μJ, while when the thickness of the TaAl thin film is 500 μs, the rapid change in resistance is initially observed. Appears. However, since the heater in the actual inkjet printhead must be stably generated without a change in resistance when external energy is applied, a 500-μm thick TaAl thin film can be said to be of no value as a heater. Therefore, if the thickness is reduced in order to increase the resistance of the color heater made of a TaAl thin film, the change in resistance becomes abrupt as external energy is applied, and thus it cannot be used as a heater.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 히터의 재질을 개선함으로써 히터의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an inkjet printhead and a method of manufacturing the same, which can improve the life and reliability of the heater by improving the material of the heater.
상기한 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above object,
본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,The inkjet printhead according to the present invention,
기판;Board;
상기 기판 위에 마련되는 것으로, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버를 한정하는 챔버층;A chamber layer provided on the substrate, the chamber layer defining an ink chamber in which ink to be discharged is filled;
상기 챔버층 위에 마련되는 것으로, 상기 잉크 챔버로부터 잉크가 토출되는 노즐이 형성된 노즐층; 및 A nozzle layer provided on the chamber layer, the nozzle layer having a nozzle through which ink is discharged from the ink chamber; And
상기 기판 상에 형성되어 상기 잉크 챔버 내부의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키는 히터;를 구비하고,And a heater formed on the substrate to heat bubbles in the ink chamber to generate bubbles.
상기 히터는 TaAlN 또는 TiAlN으로 이루어진다.The heater is made of TaAlN or TiAlN.
상기 히터의 두께는 100 ~ 2000Å인 것이 바람직하며, 상기 히터의 비저항(resistivity)는 300 ~ 2000μΩ㎝인 것이 바람직하다. It is preferable that the thickness of the heater is 100-2000 kPa, and the resistivity of the heater is preferably 300-2000 µkcm.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,On the other hand, the manufacturing method of the inkjet printhead according to the present invention,
기판의 상면에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on an upper surface of the substrate;
상기 절연층의 상면에 진공증착법에 의하여 TaAlN 또는 TiAlN으로 이루어진 히터를 형성하는 단계;Forming a heater made of TaAlN or TiAlN on a top surface of the insulating layer by vacuum deposition;
상기 히터의 상면에 상기 히터의 발열 영역을 노출시키는 도선을 형성하는 단계; Forming a conductive wire on the upper surface of the heater to expose the heat generating region of the heater;
상기 도선 및 노출된 상기 히터의 상면에 보호층을 형성하는 단계;Forming a protective layer on an upper surface of the conductive wire and the exposed heater;
상기 보호층의 상면에 캐비테이션 방지층을 형성하는 단계; Forming a cavitation prevention layer on an upper surface of the protective layer;
상기 캐비테이션 방지층의 상부에 잉크 챔버를 한정하는 챔버층을 형성하는 단계; 및Forming a chamber layer defining an ink chamber on top of the cavitation prevention layer; And
상기 챔버층의 상면에 노즐이 형성된 노즐층을 형성하는 단계;를 포함한다. It includes; forming a nozzle layer having a nozzle on the upper surface of the chamber layer.
상기 히터는 Ta 및 Al을 타겟(target)으로 하고, N2를 반응가스로 한 스퍼터링 방법에 의하여 형성될 수 있다.The heater may be formed by a sputtering method using Ta and Al as targets and N 2 as a reaction gas.
또한, 상기 히터는 Ti 및 Al을 타겟으로 하고, N2를 반응가스로 한 스퍼터링 방법에 의하여 형성될 수 있다.The heater may be formed by a sputtering method using Ti and Al as targets and N 2 as a reaction gas.
상기 히터의 두께는 100 ~ 2000Å인 것이 바람직하며, 상기 히터의 비저항은 300 ~ 2000μΩ㎝인 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the heater is 100 to 2000 kPa, and the specific resistance of the heater is preferably 300 to 2000 mPa.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면 상에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments exemplified below are not intended to limit the scope of the present invention, but are provided to explain the present invention to those skilled in the art. The same reference numerals in the drawings refer to the same components, the size or thickness of each component in the drawings may be exaggerated for convenience of explanation. Also, when one layer is described as being on top of a substrate or another layer, the layer may be on top while directly contacting the substrate or another layer, and another third layer may be present therebetween.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 6 is a cross-sectional view schematically showing the vertical structure of the inkjet printhead according to the preferred embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는 상부에 다수의 물질층이 적층된 기판(111)과, 상기 기판(111) 위에 마련되어 잉크 챔버(122)를 한정하는 챔버층(120)과, 상기 챔버층(120) 위에 마련되는 노즐층(130)을 구비한다. 상기 잉크 챔버(122) 내에는 토출될 잉크가 채워지며, 이 잉크 챔버(122)의 아래쪽에는 잉크 챔버(122) 내의 잉크를 가열하여 버블(bubble)을 발생시키기 위한 히터(113)가 마련된다. 그리고, 상기 노즐층(130)에는 잉크 챔버(122)로부터 잉크가 토출되는 노즐(132)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 6, an inkjet printhead according to an exemplary embodiment of the present invention may include a substrate 111 having a plurality of material layers stacked thereon, and a chamber layer disposed on the substrate 111 to define an ink chamber 122. 120 and a nozzle layer 130 provided on the chamber layer 120. The ink to be discharged is filled in the ink chamber 122, and a heater 113 is provided below the ink chamber 122 to heat the ink in the ink chamber 122 to generate a bubble. In addition, a nozzle 132 through which ink is discharged from the ink chamber 122 is formed in the nozzle layer 130.
이러한 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보다 상세히 설명하면, 실리콘으로 이루어진 기판(111)의 상면에는 히터(113)와 기판(111) 사이의 단열과 절연을 위한 절연층(112)이 형성된다. 그리고, 상기 절연층(112) 위에는 잉크 챔버(122) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(113)가 형성된다. 여기서, 상기 히터(113)는 TaAlN 또는 TiAlN을 진공 증착법에 의하여 박막의 형태로 증착함으로써 형성된다. 이때, 형성되는 히터(113)의 두께는 대략 100 ~ 2000Å가 바람직하며, 상기 히터(113)의 비저항(resistivity)은 300 ~ 2000μΩ㎝가 되는 것이 바람직하다. 이렇게 TaAlN 박막 또는 TiAlN 박막으로 형성된 히터(113)는 NaCl 결정구조 또는 비정질(amorphous) 결정구조를 가진다. When the vertical structure of the inkjet printhead is described in more detail, an insulating layer 112 for insulating and insulating between the heater 113 and the substrate 111 is formed on the upper surface of the substrate 111 made of silicon. In addition, a heater 113 is formed on the insulating layer 112 to generate bubbles by heating the ink in the ink chamber 122. Here, the heater 113 is formed by depositing TaAlN or TiAlN in the form of a thin film by vacuum deposition. At this time, the thickness of the heater 113 to be formed is preferably about 100 ~ 2000Å, the resistivity of the heater 113 is preferably 300 ~ 2000μΩcm. The heater 113 formed of the TaAlN thin film or the TiAlN thin film has a NaCl crystal structure or an amorphous crystal structure.
상기 히터(113)의 상면에는 히터(113)의 발열 영역을 노출시키도록 형성된 도선(conductor,114)이 마련된다. 상기 도선(114)은 히터(113)에 펄스 상의 전류를 인가하기 위한 것으로, 알루미늄(Al)과 같은 도전성이 양호한 금속물질로 이루어진다. The upper surface of the heater 113 is provided with a conductor 114 formed to expose the heat generating region of the heater 113. The conductive wire 114 is for applying a pulsed current to the heater 113, and is made of a metal material having good conductivity such as aluminum (Al).
상기 도선(114) 및 노출된 히터(113)의 상면에는 이들을 보호하기 위한 보호층(passivation layer,115)이 형성된다. 상기 보호층(115)은 히터(113)와 도선(114)이 산화되거나 잉크와 직접 접촉되는 것을 방지하기 위한 것으로, 주로 실리콘 질화물(SiNx)을 플라즈마 보강 화학기상증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 증착함으로써 형성된다.A passivation layer 115 is formed on the conductive wire 114 and the exposed heater 113 to protect them. The protective layer 115 is to prevent the heater 113 and the conductive wire 114 from being oxidized or in direct contact with the ink, and mainly silicon nitride (SiN x ) is plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). It is formed by vapor deposition by the deposition method.
상기 보호층(115) 위에는 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer,116)이 형성된다. 상기 캐비테이션 방지층(116)은 버블이 수축하여 소멸할 때 발생하는 캐비테이션 압력(cavitation force)으로부터 히터를 보호하고, 잉크로 인하여 히터(113)가 부식(corrosion)되는 것을 방지하기 위한 것으로, 주로 탄탈륨(Ta)로 이루어진다. An anti-cavitation layer 116 is formed on the passivation layer 115. The cavitation prevention layer 116 is to protect the heater from the cavitation force (cavitation force) generated when the bubble shrinks and disappears, and to prevent corrosion of the heater 113 due to ink, mainly tantalum ( Ta).
상기 캐비테이션 방지층(116) 위에는 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버(122)를 한정하는 챔버층(120)이 마련되고, 이 챔버층(120) 위에는 잉크 챔버(122)로부터 잉크가 토출되는 노즐(132)이 형성된 노즐층(130)이 마련된다. The cavitation prevention layer 116 is provided with a chamber layer 120 defining an ink chamber 122 filled with ink to be discharged, and a nozzle 132 through which ink is discharged from the ink chamber 122 is provided on the chamber layer 120. ) Is provided with a nozzle layer 130.
상기와 같이, 히터(113)가 TaAlN 박막 또는 TiAlN 박막으로 형성되면, 외부 에너지가 인가될 때 저항의 급격한 변화없이 안정적으로 발열이 이루어져 히터(113)의 안정화가 구현될 수 있다. 이에 따라, 잉크젯 프린트헤드의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As described above, when the heater 113 is formed of a TaAlN thin film or a TiAlN thin film, heat may be stably generated without a sudden change in resistance when external energy is applied to stabilize the heater 113. As a result, the lifespan and reliability of the inkjet printhead can be improved.
이하에서, 도 7a 내지 도 7e를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A to 7E.
도 7a는 기판(111)의 상면에 절연층(112)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 먼저, 기판(111)으로는 실리콘 웨이퍼를 가공하여 사용한다. 이는 실리콘 웨이퍼가 반도체 소자에 널리 사용되는 것으로서, 대량 생산에 효과적이기 때문이다. FIG. 7A illustrates a state in which the insulating layer 112 is formed on the upper surface of the substrate 111. First, a silicon wafer is processed and used as the substrate 111. This is because silicon wafers are widely used in semiconductor devices and are effective for mass production.
이어서, 준비된 실리콘 기판(111)의 상면에 절연층(112)을 형성한다. 상기 절연층(112)은 기판(111)의 상면에 실리콘 산화물(SiO2)을 플라즈마 보강 화학기상증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 또는 열 산화(thermal oxidization)법 등에 의하여 증착함으로써 형성될 수 있다. 이러한 절연층(112)은 기판(111)과 히터층(도 6의 113) 사이의 절연 뿐만 아니라 히터층(113)에서 발생된 열에너지가 기판(111)쪽으로 빠져나가는 것을 억제하기 위한 단열층으로서의 기능을 한다.Subsequently, an insulating layer 112 is formed on the prepared upper surface of the silicon substrate 111. The insulating layer 112 may be formed by depositing silicon oxide (SiO 2 ) on the upper surface of the substrate 111 by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method or a thermal oxidization method. Can be. The insulating layer 112 functions not only as an insulation between the substrate 111 and the heater layer (113 of FIG. 6) but also as a heat insulating layer for suppressing the escape of thermal energy generated from the heater layer 113 toward the substrate 111. do.
도 7b는 상기 절연층(112)의 상면에 히터(113)를 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 히터(113)는 절연층(112)의 상면에 TaAlN 또는 TiAlN과 같은 발열 저항체를 진공 증착법에 의하여 소정 두께로 증착함으로써 박막의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 히터(113)는 대략 100 ~ 2000Å 정도의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 그 비저항(resistivity)은 300 ~ 2000μΩ㎝가 되는 것이 바람직하다. 이렇게 TaAlN 박막 또는 TiAlN 박막으로 형성된 히터(113)는 NaCl 결정구조 또는 비정질(amorphous) 결정구조를 가진다. FIG. 7B illustrates a state in which the heater 113 is formed on the upper surface of the insulating layer 112. The heater 113 may be formed in the form of a thin film by depositing a heating resistor such as TaAlN or TiAlN to a predetermined thickness on the upper surface of the insulating layer 112 by a vacuum deposition method. At this time, the heater 113 is preferably formed to a thickness of about 100 ~ 2000Å, the resistivity (resistivity) is preferably 300 ~ 2000μΩcm. The heater 113 formed of the TaAlN thin film or the TiAlN thin film has a NaCl crystal structure or an amorphous crystal structure.
대표적인 진공 증착법인 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 상기 히터(113)를 TaAlN 박막으로 형성하는 공정은 다음과 같다. A process of forming the heater 113 into a TaAlN thin film by sputtering, which is a typical vacuum deposition method, is as follows.
먼저, 타겟(target)으로는 탄탈륨(Ta)와 알루미늄(Al)을 사용하며, 이러한 타겟들은 각각 독립적으로 파워가 인가되고 제어되어야 한다. 이와 같은 스퍼터링 방법을 코-스퍼터링(co-sputtering)이라고 한다. 그리고, 이 공정에서 아르곤(Ar)과 질소(N2) 가스가 사용되는데, 여기서 N2는 TaAlN을 형성하기 위한 반응가스이다. 여기서, Ta 타겟과 Al 타겟에 각각 제어된 파워를 인가하고, 이와 동시에 N2 가스를 공급하면, TaAlN 박막이 형성되게 된다.First, tantalum (Ta) and aluminum (Al) are used as targets, and these targets must be independently powered and controlled. This sputtering method is called co-sputtering. In this process, argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) gases are used, where N 2 is a reaction gas for forming TaAlN. Here, when the controlled power is applied to the Ta target and the Al target, and the N 2 gas is supplied at the same time, the TaAlN thin film is formed.
또한, 상기 히터(113)를 TiAlN 박막으로 형성하는 공정도 전술한 경우와 유사하다. 즉, 타겟으로 티타늄(Ti)와 알루미늄(Al)을 사용하여 이 Ti 타겟과 Al 타겟에 각각 제어된 파워를 인가하고, 이와 동시에 N2 가스를 공급하면, TiAlN 박막이 형성되게 된다.In addition, the process of forming the heater 113 as a TiAlN thin film is similar to the above-described case. That is, by using titanium (Ti) and aluminum (Al) as targets, a controlled power is applied to the Ti targets and the Al targets respectively, and at the same time, the N 2 gas is supplied to form a TiAlN thin film.
도 7c는 히터(113)에 전류를 인가하기 위한 도선(conductor,114)을 상기 히터(113)의 상면에 형성한 상태를 나타낸 것이다. 상세하게는, 먼저 도전성이 양호한 금속물질 예컨대, 알루미늄(Al)을 진공 증착법에 의하여 히터(113)의 상면에 소정 두께로 증착한다. 다음으로, 상기 금속물질 상에 포토레지스트(PR; photoresist)를 도포한 다음 이를 포토리소그라피(photolithography) 공정에 의하여 패터닝하면, 히터(113)의 발열 영역에 해당하는 부위의 금속물질을 노출시키는 식각 마스크(미도시)가 형성된다. 이어서, 상기 식각 마스크를 통하여 노출된 금속물질을 습식 식각(wet etching)공정을 통하여 제거하게 되면, 히터(113)의 발열 영역을 노출시키는 도선(114)이 형성된다. FIG. 7C illustrates a state in which a conductor 114 for applying a current to the heater 113 is formed on an upper surface of the heater 113. Specifically, first of all, a conductive metal material such as aluminum (Al) is deposited on the upper surface of the heater 113 by a vacuum deposition method to a predetermined thickness. Next, when a photoresist (PR) is applied on the metal material and then patterned by a photolithography process, an etching mask exposing a metal material of a region corresponding to the heating region of the heater 113 is exposed. (Not shown) is formed. Subsequently, when the metal material exposed through the etching mask is removed through a wet etching process, the conductive wire 114 exposing the heat generating region of the heater 113 is formed.
도 7d는 도선(114) 및 노출된 히터(113)의 상면에 보호층(passivation layer,115)을 형성하고, 그 위에 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer,116)을 형성한 상태를 도시한 것이다. FIG. 7D illustrates a state in which a passivation layer 115 is formed on the conductive wire 114 and the exposed heater 113 and an anti-cavitation layer 116 is formed thereon.
상기 보호층(115)은 도선(114) 및 노출된 히터(113)의 상면에 실리콘 질화물(SiNx)을 플라즈마 보강 화학기상증착(PECVD)법에 의하여 증착함으로써 형성될 수 있다. 이러한 보호층(115)은 히터(113)와 도선(114)이 산화되거나 잉크와 집적 접촉되는 것을 방지하기 위한 것이다.The protective layer 115 may be formed by depositing silicon nitride (SiN x ) on the upper surface of the conductive wire 114 and the exposed heater 113 by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The protective layer 115 is to prevent the heater 113 and the conductive wire 114 from being oxidized or integrated contact with the ink.
상기 캐비테이션 방지층(116)은 보호층(115)의 상면에 탄탈륨(Ta)을 증착하고, 이를 포토리소그라피 공정 및 건식 식각(dry etching)공정을 통하여 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이러한 캐비테이션 방지층(116)은 버블이 수축하여 소멸할 때 발생하는 캐비테이션 압력(cavitation force)으로부터 히터를 보호하고, 잉크로 인하여 히터(113)가 부식(corrosion)되는 것을 방지하기 위한 것이다. The cavitation prevention layer 116 may be formed by depositing tantalum (Ta) on the upper surface of the protective layer 115 and patterning it through a photolithography process and a dry etching process. The cavitation prevention layer 116 is to protect the heater from cavitation force generated when the bubble shrinks and disappears, and prevents the heater 113 from being corroded due to ink.
도 7e는 상기 캐비테이션 방지층(116)의 상면에 잉크 챔버(122)를 한정하는 챔버층(120)을 형성하고, 상기 챔버층(120)의 상면에 노즐(132)이 형성된 노즐층(130)을 형성한 상태를 도시한 것이다. 상기 챔버층(120) 및 노즐층(130)는 모놀리식(monolithic) 방법에 의하여 캐비테이션 방지층(116)의 상부에 순차적으로 형성된다.7E illustrates a nozzle layer 130 having a chamber layer 120 defining an ink chamber 122 on an upper surface of the cavitation prevention layer 116 and a nozzle 132 formed on an upper surface of the chamber layer 120. It shows the state formed. The chamber layer 120 and the nozzle layer 130 are sequentially formed on the cavitation prevention layer 116 by a monolithic method.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the preferred embodiment according to the present invention has been described above, this is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the inkjet printhead and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following effects.
첫째, 히터를 TaAlN 박막 또는 TiAlN 박막으로 형성함으로써 안정적인 발열이 이루어져 히터의 안정화를 구현할 수 있다. 이에 따라, 잉크젯 프린트헤드의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.First, since the heater is formed of a TaAlN thin film or a TiAlN thin film, stable heat generation may be achieved to stabilize the heater. As a result, the lifespan and reliability of the inkjet printhead can be improved.
둘째, 히터의 안정화가 구현됨으로써 히터의 효율을 향상시킬 수 있다.Second, the stabilization of the heater can be implemented to improve the efficiency of the heater.
셋째, 프린트헤드 칩의 생산 수율 증가로 인한 생산성 증대 및 칩의 단가 감소 효과가 있다. Third, the productivity and the cost of the chip are reduced due to the increase in the yield of the printhead chip.
도 1a 및 도 1b는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타낸 절개 사시도 및 그 잉크 액적의 토출과정을 설명하기 위한 단면도이다.1A and 1B are cutaway perspective views illustrating a structure of a conventional thermal drive inkjet printhead and a cross sectional view for explaining a process of discharging the ink droplets.
도 2는 알루미늄(Al)의 함량에 따른 탄탈륨-알루미늄 합금(TaAl)의 비저항(resistivity)을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the resistivity of tantalum-aluminum alloy (TaAl) according to the content of aluminum (Al).
도 3은 탄탈륨-알루미늄 합금(TaAl)의 상태도(phase diagram)이다.3 is a phase diagram of a tantalum-aluminum alloy (TaAl).
도 4a 및 도 4b는 컬러(color)용 히터 및 모노(mono)용 히터의 사이즈를 나타낸 도면들이다.4A and 4B are diagrams illustrating sizes of a color heater and a mono heater.
도 5는 탄탈륨-알루미늄 합금(TaAl)의 두께에 따른 히터의 저항변화특성을 도시한 그래프이다.5 is a graph illustrating resistance change characteristics of a heater according to a thickness of a tantalum-aluminum alloy (TaAl).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the vertical structure of the inkjet printhead according to the embodiment of the present invention.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.7A to 7E are diagrams for describing a method of manufacturing an inkjet printhead according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
111... 기판 112... 절연층 111 ... substrate 112 ... insulating layer
113... 히터 114... 도선113 ... Heater 114 ... Lead
115... 보호층 116... 캐비테이션 방지층115 ... protective layer 116 ... cavitation prevention layer
120... 챔버층 122... 잉크 챔버120 ... chamber layer 122 ... ink chamber
130... 노즐층 132... 노즐 130 ... Nozzle Layer 132 ... Nozzle
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2004
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