KR100723415B1 - 잉크젯 프린트헤드의 제조방법 - Google Patents

잉크젯 프린트헤드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

잉크젯 프린트헤드의 제조방법이 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은, 기판 상에 절연층, 히터 및 전극을 순차적으로 형성하고, 절연층 상에 보호층을 형성하는 단계; 보호층 및 절연층을 기판을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계; 보호층 상에 잉크챔버의 형성을 위한 희생층을 형성하는 단계; 희생층 및 보호층의 표면에 시드층을 형성하는 단계; 히터의 상부에 위치하는 시드층 상에 노즐용 몰드를 형성하는 단계; 시드층 상에 도금층을 형성하는 단계; 기판의 배면을 식각하여 잉크 피드홀을 형성하는 단계; 노즐용 몰드 및 시드층을 제거하여 노즐을 형성하는 단계; 및 희생층을 제거하여 잉크챔버를 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

잉크젯 프린트헤드의 제조방법{Method of fabricating inkjet printhead}
도 1은 종래 잉크젯 프린트헤드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 2d는 도 1에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 111... 잉크 피드홀
112... 절연층 113... 히터
114... 전극 115... 보호층
116... 캐비테이션 방지층 122... 잉크챔버
125... 희생층 126... 시드층
132... 노즐 135.. 노즐용 몰드
140... 도금층 140a... 챔버층
140b... 노즐층
본 발명은 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 보다 간단한 공정으로 잉크젯 프린트헤드를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 잉크젯 프린트헤드는 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상을 형성하는 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.
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.
도 1에는 종래 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드를 개략적인 단면이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래 잉크젯 프린트헤드는 다수의 물질층이 형성된 기판(10)과, 상기 기판(10) 위에 적층되는 챔버층(20)과, 상기 챔버층(20) 위에 적층되는 노즐층(30)을 포함한다. 상기 챔버층(20)에는 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔 버(22)가 형성되어 있으며, 상기 노즐층(30)에는 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(32)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 기판(10)에는 상기 잉크챔버(22)로 잉크를 공급하기 위한 잉크 피드홀(11)이 관통되어 형성되어 있다.
상기 기판(10)으로는 일반적으로 실리콘 기판이 사용된다. 상기 기판(10) 상에는 히터(13)와 기판(10) 사이의 절연을 위한 절연층(12)이 형성되어 있다. 이러한 절연층(12)은 일반적으로 실리콘 산화물로 이루어진다. 그리고, 상기 절연층(12) 상에는 잉크챔버(22) 내의 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(13)가 형성되어 있다. 상기 히터(13) 상에는 상기 히터(13)에 전류를 인가하기 위한 전극(14)이 형성되어 있다. 상기 히터(13)와 전극(14)의 표면에는 이들을 보호하기 위한 보호층(passivation layer, 15)이 형성되어 있다. 이러한 보호층(15)은 일반적으로 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물로 이루어진다. 그리고, 상기 보호층(15) 위에는 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer, 16)이 형성되어 있다. 이 캐비테이션 방지층(16)은 버블의 소멸시 발생하는 캐비테이션 압력(cavitation force)으로부터 히터(13)를 보호하기 위한 것으로, 주로 탄탈륨(Ta)로 이루어진다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 보여주는 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 기판(10)의 표면에 절연층(12)을 형성하고, 이 절연층(12) 상에 히터(13) 및 전극(14)을 순차적으로 형성한다. 그리고, 상기 히터(13) 및 전극(14)을 덮도록 절연층(12) 상에 보호층(15)을 형성한 다음, 이 보호층(15) 상에 캐비테이션 방지층(16)을 형성한다. 이어서, 상기 보호층(15) 및 절연층(12) 을 순차적으로 식각하여 기판(10)의 표면을 노출시키는 트렌치(17)를 형성한다. 다음으로, 도 2b를 참조하면, 도 2a에 도시된 구조물 위에 소정 물질을 도포하고, 이를 패터닝함으로써 잉크챔버(도 1의 22)를 가지는 챔버층(20)을 형성한다. 그리고, 상기 잉크챔버(20) 및 트렌치(17)를 채우도록 희생층(25)을 형성한 다음, 이 희생층(25)의 상면을 화학적 기계적 연마공정(CMP; Chemical Mechanical Polishing)에 의하여 평탄화시킨다. 이어서, 도 2c를 참조하면, 상기 희생층(25) 및 챔버층(20)의 상면에 소정 물질을 도포하고, 이를 패터닝함으로서 노즐(32)을 가지는 노즐층(30)을 형성한다. 다음으로, 도 2d를 참조하면, 상기 기판(10)의 배면쪽을 희생층(25)이 노출되도록 식각함으로써 잉크 피드홀(11)을 형성한 다음, 상기 잉크 피드홀(11) 및 노즐(32)을 통하여 노출된 희생층(25)을 제거함으로써 잉크챔버(22)를 형성한다.
그러나, 상기와 같은 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에서는, 패터닝 공정이 여러번 필요하여 제조 공정이 복잡하게 되고, 또한 화학적 기계적 연마공정에 의하여 챔버층(20)을 원하는 두께로 정확하게 형성하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 보다 간단한 공정으로 잉크젯 프린트헤드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은,
기판 상에 절연층, 히터 및 전극을 순차적으로 형성하고, 상기 절연층 상에 상기 히터 및 전극을 덮도록 보호층을 형성하는 단계;
상기 보호층 및 절연층을 순차적으로 식각하여 상기 기판을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치를 채우도록 상기 보호층 상에 잉크챔버의 형성을 위한 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 및 보호층의 표면에 도금을 위한 시드층을 형성하는 단계;
상기 히터의 상부에 위치하는 상기 시드층 상에 노즐용 몰드를 형성하는 단계;
상기 시드층 상에 도금층을 소정 두께로 형성하는 단계;
상기 트렌치에 채워진 희생층이 노출될 때까지 상기 기판의 배면을 식각하여 잉크 피드홀을 형성하는 단계;
상기 노즐용 몰드 및 상기 노즐용 몰드의 하부에 위치한 시드층을 순차적으로 제거하여 노즐을 형성하는 단계; 및
상기 노즐 및 잉크 피드홀을 통하여 노출된 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 기판은 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 상기 절연층은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 히터는 상기 절연층의 상면에 발열 저항체를 증착하고, 이를 패터닝하 함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 전극은 상기 히터의 상면에 도전성 금속을 증착하고, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다.
상기 보호층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
상기 보호층을 형성한 다음, 상기 잉크챔버의 바닥을 이루는 상기 보호층의 상면에 캐비테이션 방지층을 형성하는 단계를 더 포함될 수 있다. 여기서, 상기 캐비테이션 방지층은 탄탈륨(Ta)로 이루어질 수 있다.
상기 희생층은 상기 보호층 상에 소정 물질을 도포하고, 이를 잉크챔버의 형상으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 희생층은 포토레지스트 또는 감광성 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 시드층은 구리, 금, 니켈, 티타늄 및 크롬으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 도금층은 구리, 금 및 니켈로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 도금층은 전기도금에 의하여 형성될 수 있다.
상기 노즐용 몰드는 포토레지스트 또는 감광성 폴리머로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 노즐용 몰드는 상부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법 을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a를 참조하면, 먼저 기판(110)을 준비한다. 상기 기판(110)으로는 일반적으로 실리콘 기판이 사용된다. 그리고, 상기 기판(110)의 상면에 절연층(112)을 소정 두께로 형성한다. 상기 절연층(112)은 그 위에 형성되는 히터(113)와 기판(110) 사이의 단열 밀 절연을 위한 것으로, 일반적으로 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 절연층(112)의 상면에 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(113)를 형성한다. 상기 히터(113)는 절연층(112)의 상면에 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 텅스텐 실리사이드 등과 같은 발열 저항체를 증착한 다음, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 히터(113)의 상면에 히터(113)에 전류를 인가하기 위한 전극(114)을 형성한다. 상기 전극(114)은 히터(113)의 상면에 전기 전도성이 우수한 금속, 예를 들면 알루미늄, 알루미늄 합금, 금, 은 등을 증착한 다음, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 상기 히터(113) 및 전극(114)을 덮도록 절연층(112)의 상면에 보호층(passivation layer,115)를 형성한다. 상기 보호층(115)은 히터(113) 및 전극(114)이 잉크와 접촉하여 산화되거나 부식되는 것을 것을 방지하기 위한 것으로, 일반적으로 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 그리고, 잉크챔버(도 3h의 122)의 바닥을 이루는 보호층(115)의 상면에 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer,116)을 형성한다. 상기 캐비테이션 방지층(116)은 버블의 소멸시 발생하는 캐비테이션 압력(cavitation force)으로부터 히터(113)를 보호하기 위한 것으로, 일반적으로 탄탈륨(Ta)으로 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 보호층(115) 및 절연층(112)을 순차적으로 식각하여 기판(110)의 상면을 노출시키는 트렌치(trench,117)를 형성한다. 여기서, 상기 트렌치(117)는 기판(110)에 후술하는 잉크 피드홀(도 3h의 111)이 형성되는 위치의 상부에 형성된다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 상기 트렌치(117)를 채우도록 상기 보호층(115) 상에 희생층(125)을 소정 두께로 형성한다. 상기 희생층(125)은 보호층(115) 상에 소정 물질, 예를 들면 포토레지스트 또는 감광성 폴리머를 도포한 다음, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 희생층(125)은 나중에 제거되어 잉크챔버(도 3h의 122)가 형성되므로, 상기 희생층(125)은 잉크챔버(122)의 형상으로 형성된다. 이에 따라, 상기 희생층(125)의 두께를 조절함으로써 원하는 높이의 잉크챔버(122)를 얻을 수 있다.
이어서, 도 3c를 참조하면, 도 3b의 결과물 전 표면, 즉 희생층(125) 및 보호층(115)의 표면에 도금을 위한 시드층(seed layer,126)을 형성한다. 상기 시드층(126)은 소정 금속을 스퍼터링(sputtering)에 의해 희생층(125) 및 보호층(115)의 표면에 소정 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 시드층(126)은 구리, 금, 니켈, 티타늄 및 크롬으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 3d를 참조하면, 히터(113)의 상부에 위치하는 시드층(126) 상에 노즐용 몰드(135)를 소정 높이로 형성한다. 상기 노즐용 몰드(135)는 시드층(126) 상에 소정 물질, 예를 들면 포토레지스트 또는 감광성 폴리머를 도포한 다음, 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 노즐용 몰드(135)는 나중 에 제거되어 노즐(도 3h의 132)이 형성되므로, 상기 노즐용 몰드(135)는 노즐(132)의 형상으로 형성된다. 상기 노즐용 몰드(135)는 상부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가질 수 있다.
이어서, 도 3e를 참조하면, 상기 시드층(126) 상에 소정 금속을 도금시키게 되면 챔버층(140a)과 노즐층(140b)이 일체로 이루어진 도금층(140)이 형성된다. 즉, 상기 보호층(115)의 상부에 형성되는 도금층(140)은 챔버층(140a)의 역할을 하게 되며, 상기 희생층(125)의 상부에 형성되는 도금층(140)은 노즐층(140b)의 역할을 하게 된다. 상기 도금층(140)은 히터(113)로부터 발생되는 열을 외부로 효과적으로 방출시키기 위하여 열전도성이 우수한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 도금층(140)은 구리, 금 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 도금층(140)은 전기도금 방법에 의하여 형성될 수 있다. 여기서, 전기도금 공정은 노즐용 몰드(135)의 높이 보다 낮고 원하는 노즐(132)의 출구 단면적이 형성되는 높이까지 도금층(140)이 형성되는 시점에서 종료된다. 이에 따라, 상기 도금층(140)의 두께를 조절함으로써 원하는 길이의 노즐(132)을 얻을 수 있다.
다음으로, 도 3f를 참조하면, 기판(110)을 관통하도록 식각하여 잉크 공급을 위한 잉크 피드홀(111)을 형성한다. 구체적으로, 상기 잉크 피드홀(111)은 상기 트렌치(117)에 채워지는 희생층(125)이 노출될 때 까지 기판(110)의 배면을 습식식각 또는 건식식각함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 도 3g를 참조하면, 노즐용 몰드 (135)및 이 노즐용 몰드(135)의 하부에 위치하는 시드층(126)을 순차적으로 식각하 여 제거하게 되면, 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(132)이 형성된다. 그리고, 상기 노즐(132)을 통하여 희생층(125)의 상면이 노출된다. 한편, 상기 노즐(132)을 형성하는 단계는 전술한 잉크 피드홀(111)을 형성하는 단계 이전에 수행될 수도 있다.
마지막으로, 도 3h를 참조하면, 잉크 피드홀(111) 및 노즐(132)을 통하여 노출된 희생층(125)을 식각하여 제거하게 되면, 토출될 잉크가 채워지는 잉크챔버(122)가 형성됨으로써 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.
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. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 잉크젯 프린트헤드의 각 구성요소는 예시된 물질과 다른 물질이 사용될 수도 있으며, 각 물질의 적층 및 형성 방법도 단지 예시된 것으로서, 예시된 방법 이외에 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에 있어서, 각 단계의 순서는 경우에 따라서 예시된 바와 달리 할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 도금 공정에 의하여 챔버층과 노즐층이 일체로 이루어진 도금층을 형성함으로써 보다 간단한 공정으로 잉크젯 프 린트헤드를 제조할 수 있다. 또한, 희생층 및 도금층의 두께를 조절함으로써 원하는 치수의 잉크챔버 및 노즐을 얻을 수 있게 된다. 그리고, 상기 도금층은 열전도성이 우수한 금속으로 이루어져 있으므로 히터로부터 발생되는 열이 외부로 효과적으로 방출될 수 있다.

Claims (15)

  1. 기판 상에 절연층, 히터 및 전극을 순차적으로 형성하고, 상기 절연층 상에 상기 히터 및 전극을 덮도록 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층 및 절연층을 순차적으로 식각하여 상기 기판을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치를 채우도록 상기 보호층 상에 잉크챔버의 형성을 위한 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 및 보호층의 표면에 도금을 위한 시드층을 형성하는 단계;
    상기 히터의 상부에 위치하는 상기 시드층 상에 노즐용 몰드를 형성하는 단계;
    상기 시드층 상에 도금층을 소정 두께로 형성하는 단계;
    상기 트렌치에 채워진 희생층이 노출될 때까지 상기 기판의 배면을 식각하여 잉크 피드홀을 형성하는 단계;
    상기 노즐용 몰드 및 상기 노즐용 몰드의 하부에 위치한 시드층을 순차적으로 제거하여 노즐을 형성하는 단계; 및
    상기 노즐 및 잉크 피드홀을 통하여 노출된 희생층을 제거하여 상기 잉크챔버를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 실리콘 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 절연층의 상면에 발열 저항체를 증착하고, 이를 패터닝하함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 히터의 상면에 도전성 금속을 증착하고, 이를 패터닝함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층을 형성한 다음, 상기 잉크챔버의 바닥을 이루는 상기 보호층의 상면에 캐비테이션 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐비테이션 방지층은 탄탈륨(Ta)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생층은 상기 보호층 상에 포토레지스트 또는 감광성 폴리머를 도포하고, 이를 잉크챔버의 형상으로 패터닝함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드층은 구리, 금, 니켈, 티타늄 및 크롬으로 이루어지는 그룹에서 선 택된 적어도 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도금층은 구리, 금 및 니켈로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도금층은 전기도금에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐용 몰드는 포토레지스트 또는 감광성 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐용 몰드는 상부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
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