KR100440957B1 - 잉크 토출 헤드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

잉크 토출헤드의 제조방법에 관해 개시된다. 개시된 방법은: 기판에 도금을 위한 종자층을 형성하는 단계; 상기 종자층 상에 포토리소그래피법에 의해 노즐 플레이트의 오리피스에 대응하는 후막 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 후막 포토레지스트층에 덮히지 않은 상기 종자층의 표면에 노즐 플레이트를 도금법에 의해 형성하는 단계; 상기 노즐 플레이트를 상기 기판으로 부터 분리하는 단계; 상기 노즐 플레이트를 전기적 발열소자가 형성되고 잉크가 공급되는 챔버가 마련된 헤드 칩 기판에 결합하는 단계;를 포함한다.

박막 포토레지스트 위로 도금되는 기존 공정 보다 후막 포토레지스트를 쓰기 때문에 포토레지스트 위로 도금이 진행되지 않아 노즐 직경 정밀도 및 진원도 향상이 기대된다. 또한, 고 해상도 잉크젯 헤드의 약 10 ㎛ 직경의 오리피스(노즐)을 형성할 수 도 있다. 특히 셀간 균일도 및 노즐구멍의 위치 정밀도가 향상되며, 기존의 공정 보다 노즐 수율 및 높은 생산성을 구현할 수 있다.

Description

잉크 토출 헤드의 제조방법{Fablication method of ink discharge head}

본 발명은 잉크 토출헤드의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 치수의 정밀도를 향상할 수 있고 오리피스의 배설 밀도의 향상으로 고해상도의 잉크 토출헤드를 제작할 수 있는 잉크 토출헤드의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 잉크젯 프린팅 헤드를 제조하는 종래 한 방법에 따른 공정을 개략적으로 도시한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(4)위에 NiV 합금에 의한 종자층(seed layer, 3)를 전자빔 증착(e-beam evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 법 등에의해 형성한 후 그 위에 2 내지 8㎛ 두께의 포토레지스트층(2)을 스핀코팅법등에 의해 형성한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 소정 패턴의 포토마스크(1)를 이용하여 상기 포토레지스트층(2)을 노광을 한다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트층(2)을 현상하여 필요한 부분만 남긴다. 여기에서 포토레지스트층(2)을 오메가형 또는 원형이다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(4)을 Ni 설파메이트(sulfamate), 붕산, 물등이 포함된 니켈 도금조에 담지하고 전해 도금을 실시한다. 이때에 상기 종자층(3)이 전극으로서 적용되며, 도금시 인가된 총 전류 밀도 및 도금 시간을 조절하면 원하는 두께의 니켈 노즐 플레이트(5)를 형성할 수 있다.

도 1e에 도시된 바와 같이, 전해 도금된 니켈 노즐 플레이트(5)를 기판(4)로 부터 분리하여 세정하여 노즐플레이트(5)를 얻는다.

도 2는 상기 노즐 플레이트(5)가 장착되는 헤드 칩을 제작하는 과정의 한 예를 보인다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 잉크공급홀(8a)이 형성되고, 그 상면에 잉크 버블을 발생시키는 전기적 발열소자(7)가 형성된 헤드 칩 기판(8)을 제작한다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 네가티브 드라이 레지스트 필름(dry resist film, 6)를 라미네이션법에 의해 가열 가압하여 헤드 칩 기판(8)에 접착시킨다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 리스트릭터와 챔버를 위한 노광 패턴을 갖는 포토마스크(9)를 이용해 상기 레지스트 필름(6)을 노광한다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 레지스트 필름(6)을 현상하여 노광되지 않은 부분을 제거한다. 레지스트 필름(6)은 네가티브 포토레지스트이므로 노광된 부분은 경화되어 기계적 강성이 증가한다.

도 2e에 도시된 바와 같이, 앞의 단계에서 제작된 노즐플레이트(5)를 상기 잉크젯 헤드 칩 기판(8)을 가압 가열에 의해 접착한다.

도 1과 함께 설명된 노즐 플레이트 제조 방식은 Mandrel Type Nozzle Electro-Forming Method로 잘 알려져 있다. 이 방법에 의하면 도 3에 도시된 바와 같이, 전해 도금의 특성 상, 도금에 의해 성장되는 노즐 플레이트(5)가 종자층(3)의 수직 방향 및 수평 방향으로 같은 속도로 도금, 즉 등방성 성장을 하게 된다.

그러므로 종래 방법에 의해 얻어진 노즐 플레이트(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐의 직경(D_hole)은 초기의 포토레지스트 두께(Tpeg), 직경(Dpeg) 및 총 도금두께(Tplate)에 의존한다. 따라서, 총 도금의 두께는 도금조에 인가된 전류 밀도와 도금 시간에 의하여 결정된다. 보통 도금조의 전류밀도는 일정하게 두고, 시간을 조절하여 두께을 조절한다. 시간이 경과함에 따라 포토레지스트의 단차를 극복하고 수평 및 수직 방향의 성장한다. 도금 시간이 너무 길다면 수평방향으로 니켈이 서로 만나서 노즐을 형성할 수 없다. 또한 도금 시간이 너무 짧다면 노즐 직경이 커진다. 즉 도금 시간이 노즐 플레이트의 두께 및 노즐 직경(nozzle diameter)을 조절할수 있는 유일한 변수이다. 하지만 도금액의 농도 변화, 도금조의 교반 속도에 따라 같은 시간에서도 총 도금 두께는 변한다. 이 때문에 항상 같은 크기의 D_hole, 즉 노즐 직경을 재현하기 어렵다. 또한, 기판의 위치에 따라 다른 크기의 노즐이 만들어지는 경우도 있어 수율이 낮다. 그리고 등방성 성장의 니켈 전해 도금 방법은 20 ㎛의 이하의 직경을 가지는 균일한 노즐을 제작하기 어렵다. 또한 도 3에서 노즐의 곡면 부분(a)은 도금 두께만의 함수이다. 노즐 플레이트(1)가 소정의 강성을 유지하기 위해서는 최소한 30 ㎛이상의 두께를 가져야 한다. 그러므로 고해상도, 고속도의 잉크젯 헤드의 요구사항인 고 cpi(cell per inch), 즉 셀간 간격이 좁아지는 경우 곡면 부분의 곡률을 조절할 수 없기 때문에 노즐간의 평평한 영역(b)이 감소하게 된다. 즉 셀 간 간격이 작은 많은 수의 노즐을 가지는 잉크젯 헤드에서는 셀간 접합 면적(b)이 감소하여 헤드 칩위에 형성된 드라이 레지스트 필름(6)와 접착하기 어렵고 접착후에도 도 2에서 점선 부분에서 분리된 부분이 발생하기 쉽다.

본 발명의 목적은 치수 정밀도의 조절이 용이하고 고해상도의 잉크 토출헤드를 형성할 수 있는 잉크 토출헤드의 제조방법을 제공한다.

도 1은 종래 잉크젯 프린팅 헤드를 제조하는 종래 방법의 한 예로서 노즐 플레이트를 형성하는 과정을 보인 공정도이다.

도 2는 종래 잉크젯 프린팅 헤드를 제조하는 종래 방법의 한 예로서 노즐 플레이트가 장착되는 헤드 칩을 제작하는 과정을 보인다.

도 3 및 도 4는 종래 제조 방법에 의한 노즐 플레이트를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 잉크 토출 헤드의 제조방법으로서 노즐 플레이트의 제조 공정을 도시한다.

도 6은 본 발명에 따른 잉크 토출 헤드의 제조방법으로서 노즐 플레이트가 장착되는 헤드 칩의 제조 공정을 도시한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 도금을 위한 종자층을 형성하는 단계;

상기 종자층 상에 포토리소그래피법에 의해 노즐 플레이트의 오리피스에 대응하는 후막 포토레지스트층을 형성하는 단계;

상기 후막 포토레지스트층에 덮히지 않은 상기 종자층의 표면에 노즐 플레이트를 도금법에 의해 형성하는 단계;

상기 노즐 플레이트를 상기 기판으로 부터 분리하는 단계;

상기 노즐 플레이트를 전기적 발열소자가 형성되고 잉크가 공급되는 챔버가 마련된 헤드 칩 기판에 결합하는 단계;를 포함하는 잉크 토출헤드이 제공된다.

상기 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 후막 포토레지스트층은 적어도 일회 이상의 코팅 단계에 의해 형성하는 것이 바람직하며, 후막 포토레지스트층의 측면 경사를 0-20˚의 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 노즐 플레이트의 두께를 10-70 ㎛ 의 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 잉크 토출헤드의 제조방법의 실시예를 상세히 설명한다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 위에 전해 도금을 위한 NiV 종자층(11)을 증작법 또는 스퍼터링 법에 의해 형성한다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 종자층(11) 상에 10㎛ 내지 1mm 두께의 후막 포토레지스트층(12)을 스핀 코팅법등에 의해 형성한다. 이때 사용되는 포토레지스트는 UV 조사시 빛의 투과 두께가 수십 ㎛ 까지 가능한 AZ9260, AZ4903(Cliant) 포지티브 포토레지스트 또는 수 백 ㎛ 까지 가능한 SU-8(Microchem) 등의 네가티브포토레지스트를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 네가티브 포토 레지스트가 적용되며, 만약에 포지티브 포토 레지스트가 적용되면 이에 상응하게 후술되는 마스크(13)의 패턴이 네가티브 포토레지스트를 사용할 때의 패턴에 대해 반전되어야 한다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 마스크(13)를 통해 상기 후막 포토레지스트층(12)을 노광한다. 이때에 후막 포토레지스트층(12)에서 현상 후 잔류할 부분은 노즐에서의 오리피스에 대응한다.

도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 후막 포토레지스트층(12)을 현상하여 후속되는 도금공정에 의해 형성되는 노즐에서의 오리피스에 대응하는 부분을 남긴다. 이때에 상기 잔류 후막 포토레지스트층(12)의 측면은 수직 내지 약 20°가량 경사지게 하는 것이 바람직하다.

도 5e에 도시된 바와 같이, Ni 설파메이트가 포함된 니켈 도금조에서 전류밀도를 조절하여, 주어진 두께, 예를 들어 10 내지 70 마이크론의 니켈 노즐 플레이트(14)를 형성한다.

도 5f에 도시된 바와 같이, 도금에 의해 형성된 노즐 플레이트(14)를 기판(10)에서 분리하고 세정한다.

위의 과정은 본 발명의 특징에 따른 노즐 플레이트(14)의 제조과정으로 오리피스가 잔류하는 후막 레지스트에 의해 성형되는 특징으로 보인다.

도 6는 상기 노즐 플레이트(14)가 장착되는 헤드 칩을 제작하는 과정의 한 예를 보인다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 잉크공급홀(18a)이 형성되고, 그 상면에 잉크 버블을 발생시키는 전기적 발열소자(17)가 형성된 헤드 칩 기판(18)을 제작한다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 네가티브 드라이 레지스트 필름(dry resist film, 16)를 라미네이션법에 의해 가열 가압하여 헤드 칩 기판(18)에 접착시킨다.

도 6c에 도시된 바와 같이, 리스트릭터와 챔버를 위한 노광 패턴을 갖는 포토마스크(19)를 이용해 상기 레지스트 필름(16)을 노광한다.

도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 레지스트 필름(16)을 현상하여 노광되지 않은 부분을 제거한다. 레지스트 필름(16)은 네가티브 포토레지스트이므로 노광된 부분은 경화되어 기계적 강성이 증가한다.

도 6e에 도시된 바와 같이, 앞의 단계에서 제작된 노즐플레이트(14)를 상기 잉크젯 헤드 칩 기판(18)을 가압 가열에 의해 접착한다.

위에서 설명된 단계에서 후막 포토레지스트층(12)에 사용되는 AZ9260, AZ4903등은 일회 스핀 코팅으로 최대 약 30 ㎛까지 도포가 가능하다. 그러므로 약 30 ㎛이상의 후막 공정을 위해서는 다회 스핀 코팅이 필요하다. 또한 스핀 코팅 조건, 즉 스핀 코터의 회전속도 및 포토레지스트의 도포 시간(dispensing time), 도포량을 적절히 조절하여야 재현성 있는 후막 포토레지스트를 성형할 수 있다. 후막 포토레지스트의 첫번째 도포후 상온에서 수십 분 또는 90 ℃에서 수 분정도의 베이킹한다. 이 과정에서 포토레지스트에 잔류하고 있는 용매가 증발하여 기판(10)과의 접착력이 증가한다. 또한 포토레지스트의 표면에 두번째 도포을 위한 경도를 가진다. 두번째 도포 전에 기판은 천천히 냉각되어야 한다. 왜냐하면, 후막 포토레지스트의 물질 특성으로 인해, 급속한 냉각 과정에서는 물질 자체의 잔류 응력 때문에 크랙이 발생한다. 이러한 크랙은 포토레지스트의 현상시 패턴을 왜곡시키는 역작용을 일으킨다. 두번째 도포는 첫번째 도포와 같은 방법으로 수행한다. 2회 도포후 도포 조건에 따라 40-90 ㎛ 두께의 포토레지스트의 필름을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 후막 포토레지스트를 핫 플레이트(hot plate) 또는 대류 오븐(convection oven) 분위기 90 ℃에서 수 시간 베이킹을 한다. 베이킹 시간은 두께가 증가함에 따라 증가되어야만 한다. 베이킹 후 노광 작업을하기 전에 높은 습도 분위기에서 수시간 동안, 수분 흡수(moisture reabsorption) 과정을 거친다. 이 때 포토레지스트에 흡수된 물 분자는 노광후 현상액에 선택적 용해도를 나타나게하는 화학 반응의 촉매로 작용한다. 이렇게 제조된 포토레지스트에 포토마스크를 이용 수백에서 수천 dose(mJ/㎠)로 노광한다. 이 노광량은 포토레지트의 두께에 따라 조절해야만 한다. 노즐 플레이트(14)를 형성하기 위해 니켈 전해 도금할 때 전해액에 부여되는 총 전류 밀도 및 시간에 의해 두께가 정해진다. 이 방법은 도 1과 함께 설명된 종래 도금 조건과 같을 수 있다. 그러나 수평방향의 니켈 성장을 포토레지스트의 잔류부분(오리피스에 대응하게 현상 후 잔류하는 부분)이 몰드(mold) 역할로 막고 있기 때문에 기존의 공정 보다 노즐의 직경을 조절하기 쉽다. 또한 기존의 방식은 이론적으로 등방성으로 성장한다고 알려져 있지만, 도금조의 조건에 따라 민감하게 등방성 성장이 유지되기 어렵다. 즉 정확한 노즐 직경과 진원도를 구현하기가 어렵다. 그러나 본 발명에 따르면 포토리소크라피 공정의 장점인 정밀도가 노즐 플레이트에 전사(傳寫)되어 진원도 및 노즐 직경의 정확성을 구현하기 용이하다. 이렇게 제작된 노즐 플레이트는 잉크젯 헤드 칩에 접착시에도 기존의 방법보다 유리하다. 왜냐하면, 노즐의 곡면 부분이 존재하지 않아 접촉면의 평편한 영역이 기존의 방식 보다 넓다. 그러므로 셀 집접도가 증가하여 셀간 간격이 좁아지는 고해상도 잉크젯 헤드에 적용할 수 있다. 또한, 도 6e에 도시된 바와 같이 노즐플레이트와(14))와 잉크젯 헤드 칩 기판(18) 상에 위치하는 레지스트 필름(16)에 대해 매우 확고하게 빈틈이 없이 고정되게 된다.

본 발명은 잉크젯 프린터 헤드 및 미세 기기의 노즐을 제조 방법 관한 것으로서, 잉크젯 헤드 적용에 국한된 것이 아니고, MEMs 산업, 소형기계의 분사 노즐에 적용할수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 박막 포토레지스트 위로 도금되는 기존 공정 보다 후막 포토레지스트를 쓰기 때문에 포토레지스트 위로 도금이 진행되지 않아 노즐 직경 정밀도 및 진원도 향상이 기대된다. 또한, 고 해상도 잉크젯 헤드의 약 10 ㎛ 직경의 오리피스(노즐)을 형성할 수 도 있다. 특히 셀간 균일도 및 노즐구멍의 위치 정밀도가 향상되며, 기존의 공정 보다 노즐 수율 및 높은 생산성을 구현할 수 있다.

Claims (4)

1. 기판에 도금을 위한 종자층을 형성하는 단계;

   상기 종자층 상에 포토리소그래피법에 의해 노즐 플레이트의 오리피스에 대응하는 후막 포토레지스트층을 형성하는 단계;

   상기 후막 포토레지스트층에 덮히지 않은 상기 종자층의 표면에 노즐 플레이트를 도금법에 의해 형성하는 단계;

   상기 노즐 플레이트를 상기 기판으로 부터 분리하는 단계;

   상기 노즐 플레이트를 전기적 발열소자가 형성되고 잉크가 공급되는 챔버가 마련된 헤드 칩 기판에 결합하는 단계;를 포함하는 잉크 토출헤드의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 후막 포토레지스트층은 적어도 일회 이상의 코팅 단계에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크 토출헤드의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   후막 포토레지스트층의 측면 경사를 0-20˚의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 잉크 토출헤드의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 노즐 플레이트의 두께를 10-70 ㎛ 의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 잉크 토출헤드의 제조방법.