KR101155989B1 - 잉크젯 프린트헤드의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

제조공정을 단순화할 수 있고 잉크유로를 균일하게 제조할 수 있도록 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 개시한다. 개시한 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 기판 위에 저속 광경화물질을 적층하여 챔버층을 형성하고; 챔버층을 선택적으로 노광하여 잉크유로의 벽 부분을 경화시키고; 챔버층 위에 저속 광경화물질보다 광 반응이 빠른 고속 광경화물질을 적층하여 노즐층을 형성하고; 노즐층을 선택적으로 노광하여 노즐 이외의 영역을 경화시키고; 챔버층 및 노즐층의 비 노광부분 현상하여 잉크유로와 노즐을 형성하는 공정을 포함한다.

Description

잉크젯 프린트헤드의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF INK JET PRINT HEAD}
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 기판, 11: 절연층,
12: 히터층, 13: 도선층,
14: 보호층, 16: 챔버층,
16a: 잉크챔버, 17: 노즐층,
17a: 노즐, 18: 잉크공급구.
본 발명은 잉크젯 프린트헤드의 제조방법에 관한 것으로, 특히 제조공정을 단순화할 수 있고 잉크유로를 균일하게 제조할 수 있도록 하는 잉크젯 프린트헤드 의 제조방법에 관한 것이다.
잉크젯 프린트헤드는 기록용지로 미소한 잉크 액적을 토출시켜 화상을 인쇄하는 장치이다. 잉크젯 프린트헤드 중에는 잉크를 가열하여 기포를 발생시키고, 기포의 팽창력을 이용해 챔버 내부의 잉크를 노즐을 통해 기록용지로 토출시키는 방식이 알려져 있다.
대한민국 등록특허공보 10-517515호는 이러한 잉크젯 프린트헤드와 이를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 잉크젯 프린트헤드는 기판 위에 적층되어 잉크챔버를 형성하는 챔버층과, 챔버층 위에 형성된 노즐층을 구비한다. 노즐층에는 잉크가 토출되는 노즐이 형성되어 있다. 기판에는 잉크챔버의 잉크를 가열하는 히터와, 히터로 전류를 공급하기 위한 도선층이 마련되어 있다. 이러한 프린트헤드의 제조방법은 다음과 같다.
먼저 챔버층의 형성을 위해 히터와 전극이 형성된 기판 상에 네거티브 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피 공정에 의하여 챔버층에 잉크챔버를 형성한다. 챔버층을 형성한 후에는 챔버층을 덮도록 희생층을 도포하고, 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)를 통하여 희생층과 챔버층 상면을 평탄화 한다. 그리고 노즐층의 형성을 위해 평탄화된 챔버층과 희생층 위에 네거티브 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피 공정에 의하여 노즐층에 노즐을 형성한다.
그러나 이러한 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 챔버층의 상부를 덮도록 희생층을 도포해야 하고, 화학적 기계적 연마를 통해 희생층과 챔버층 상면을 평탄화 하는 공정을 거쳐야 하기 때문에 제조공정이 복잡하였다. 이처럼 복잡한 제조공정은 불량요인 증가 및 생산성 저하를 초래하였다.
특히 이러한 제조방법은 화학적 기계적 연마를 수행하면서 희생층 뿐 아니라 챔버층 상면이 연마될 수 있고, 챔버층과 희생층의 경도차로 인해 챔버층과 희생층의 두께 편차가 생기기 때문에 챔버층 및 노즐층을 균일하게 제조하기가 어려웠다. 또 희생층과 노즐층의 화학적 또는 광학적 반응으로 인해 노즐의 입구에 버르(Burr)가 생길 수도 있었다. 이러한 문제들은 결국 균일한 잉크유로의 형성을 저해할 수 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제조공정을 단순화할 수 있고 잉크유로를 균일하게 제조할 수 있도록 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 기판 위에 저속 광경화물질로 챔버층을 형성하고; 상기 챔버층을 노광하여 잉크유로의 벽 부분을 경화시키고; 상기 잉크유로의 벽 부분 경화가 완료된 후 상기 챔버층 위에 상기 저속 광경화물질보다 광 반응이 빠른 고속 광경화물질로 노즐층을 형성하고; 상기 노즐층을 노광하여 노즐 이외의 영역을 경화시키고; 상기 챔버층 및 상기 노즐층의 비 노광부분을 현상하여 상기 잉크유로와 상기 노즐을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 챔버층은 액상으로 된 상기 저속 광경화물질을 스핀코팅방식으로 형성하고, 상기 노즐층은 고체박막형태로 된 상기 고속 광경화물질을 상기 챔버층 위에 부착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 저속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 100~400mJ/㎠의 노광이 요구되도록 하는 광감응제(sensitizer)를 포함하고, 상기 고속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 8~23mJ/㎠의 노광이 요구되도록 하는 광감응제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 저속 광경화물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy) 중 하나를 포함하는 액체상의 물질이고, 상기 고속 광경화물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy) 중 하나를 포함하는 고체상의 물질이며, 상기 저속 광경화물질과 상기 고속 광경화물질은 광감응제(sensitizer)의 함량이 다른 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 상기 기판의 배면 쪽을 식각하여 잉크공급구를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 상기 챔버층의 형성 전에 상기 기판 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 위에 히터층 및 도선층을 형성하고, 상기 히터층과 상기 도선층을 보호하는 보호층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다. 도시한 바와 같이, 프린트헤드는 기판(10), 기판(10) 위에 적층되어 잉크챔버(16a)를 한정하는 챔버층(16), 챔버층(16) 위에 적층된 노즐층(17)을 구비한다. 또 프린트헤드는 챔버층(16)과 기판(10) 사이에 마련되어 잉크챔버(16a)의 잉크를 가열하는 히터층(12), 히터층(12)과 기판(10) 사이의 단열 및 절연을 위한 절연층(11), 히터층(12) 상부에 마련된 도선층(13), 도선층(13)의 상부를 덮는 보호층(14)을 포함한다.
히터층(12)은 탄탈륨 질화물(TaN) 또는 탄탈륨-알루미늄 합금 등의 발열저항물질이 절연층(11) 상면에 증착되어 형성된다. 히터층(12)은 전원을 인가할 경우 잉크챔버(16a) 하부의 발열영역(12a)이 잉크챔버(16a) 내부의 잉크를 가열한다. 이러한 가열은 잉크챔버(16a) 내부의 잉크에 기포가 형성되도록 하고, 기포의 팽창에 의해 잉크챔버(16a) 내부의 잉크가 노즐층(17)의 노즐(17a)을 통해 배출되도록 한다.
도선층(13)은 히터층(12)의 발열영역(12a)으로 전원을 인가하는 배선을 이룬다. 도선층(13)은 알루미늄(Al)처럼 도전성이 양호한 금속물질이 증착되어 형성되며, 증착된 금속층이 포토리소그래피공정 및 식각공정에 의해 소정의 배선형태가 된다.
보호층(14)은 히터층(12)과 도선층(13)이 산화하거나 잉크와 직접 접촉하는 것을 방지함으로써 히터층(12) 및 도선층(13)을 보호한다. 보호층(14)은 히터층(12) 및 도선층(13) 상부에 증착되는 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어진다. 히터층(12)의 발열영역(12a) 상부에는 캐비테이션 방지층(15)이 형성된다. 캐비테이션 방지층(15)은 잉크챔버(16a) 내부의 기포가 수축하여 소멸할 때 생기는 캐비테이션 압력(Cavitation Force)으로부터 히터층(12)을 보호하고, 잉크로 인해 히터층(12)의 부식이 생기는 것을 방지한다. 캐비테이션 방지층(15)은 보호층(14) 상부에 소정 두께의 탄탈륨(Ta)을 증착하여 형성한다.
다음은 도 2 내지 도 5을 참조하여 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명한다.
도 2는 기판(10)의 상면에 절연층(11), 히터층(12), 도선층(13), 보호층(14), 캐비테이션 방지층(15)을 형성한 상태를 나타낸다. 기판(10)은 반도체소자의 제조에 널리 쓰이고 대량생산에 적합한 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 절연층(11)은 기판(10) 상면에 소정 두께로 실리콘산화물(SiO₂)을 증착하여 형성한다. 히터층(12)은 절연층(11) 상면에 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨-알루미늄 합금(TaAl), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 실리사이드(Tungsten Silicide) 등의 발열저항물질을 증착하여 형성한다.
도선층(13)은 도전성이 양호한 알루미늄(Al)과 같은 금속을 진공증착법에 의하여 히터층(12) 상면에 증착한 후 포토리소그래피공정 및 식각공정을 통하여 패터닝(Patterning)하여 형성한다. 보호층(14)은 히터층(12)과 도선층(13) 위에 실리콘 질화물(SiNx)을 플라즈마 화학기상증착법(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의하여 증착하여 형성한다. 캐비테이션 방지층(15)은 보호층(14, 히터층의 발열영역 상부) 상면에 탄탈륨(Ta) 등을 증착한 후, 포토리소그래피공정 및 식각공정을 통하여 히터층(12)의 발열영역(12a) 상부 만 남도록 패터닝 한다.
보호층(14) 및 캐비테이션 방지층(15)을 형성한 후에는 도 3에 도시한 바와 같이, 이들 상부에 챔버층(16)을 형성한다. 챔버층(16)을 형성할 때는 액체상태의 저속 광경화물질을 스핀코팅방식에 의해 5 ~ 30um의 두께로 도포하고, 저속 광경화성물질에 함유된 용제(solvent)를 제거하기 위해 저온에서 소프트 베이킹(Baking)을 한다. 그리고 베이킹 된 챔버층(16) 위를 선택적으로 노광하여 잉크챔버(16a)의 벽(16b) 부분을 경화시킨다. 이때는 잉크챔버(16a) 부분의 광을 차단하는 유로패턴(21a)을 구비한 포토마스크(21)를 이용한다. 노광되지 않은 잉크챔버(16a) 부분이 경화되지 않고 노광된 벽(16b) 부분만 경화되도록 하기 위함이다.
챔버층(16)을 이루는 저속 광경화물질은 후술할 노즐층을 이루는 광경화물질에 비해 감광속도가 느려 감광하는데 상대적으로 많은 에너지가 필요하다. 이러한 물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy) 등을 포함하는 것일 수 있다. 통상적인 액상의 네거티브 포토레지스트(photo-resist)와 마찬가지로 광감응제(sensitizer), 용제(solvent), 그 밖의 첨가물(additive)을 포함할 수 있다. 광감응제는 빛과 반응하여 광화학적 반응(photo-chemical reaction)을 일으켜 물질의 구조를 변경시키므로, 감광속도는 광감응제의 함량에 따라 달라질 수 있다. 본 실시 예에서 저속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 대략 100 ~ 400mJ/㎠의 노광이 요구되도록 한다. 이는 광감응제의 함량조절을 통해 가능하나 반드시 이러한 경우로 한정되는 것은 아니다.
챔버층(16)을 형성한 후에는 도 4에 도시한 바와 같이, 챔버층(16) 위에 저속 광경화물질보다 광 반응이 빠른 고속 광경화물질을 적층하여 노즐층(17)을 형성 한다. 그리고 노즐층(17) 위를 선택적으로 노광하여 노즐(17a) 이외의 영역을 경화시킨다. 이때는 노즐(17a) 부분의 광을 차단하는 유로패턴(22a)을 구비한 포토마스크(22)를 이용한다. 노즐(17a) 부분이 경화되지 않고 그 이외의 영역이 경화되도록 하기 위함이다.
노즐층(17)을 형성할 때는 DFR(Dry Film Resist)과 같은 고체 박막형태의 고속 광경화물질을 챔버층(16) 위에 부착하는 방식으로 형성한다. 고속 광경화물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy)와 같은 물질을 포함하는 고체 박막형태이다. 또 광 반응을 제어할 수 있는 광감응제(sensitizer)도 포함한다. 고속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 대략 8 ~ 23mJ/㎠의 노광이 필요하도록 한다. 감광속도의 조절은 물론 광감응제의 함량 조절을 통해 가능하다.
한편, 노즐층(17)도 상술한 챔버층(16)처럼 액체상태의 광경화물질을 스핀코팅방식으로 도포하여 형성할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 방식으로 노즐층(17)을 형성하면, 고속 광경화물질에 포함된 용제(solvent)의 영향으로 챔버층(16)의 물질과 노즐층(17)의 물질이 섞이면서 챔버층(16)과 노즐층(17)의 경계가 무너질 수 있다. 이렇게 되면 잉크챔버(16a) 및 노즐(17a)을 정확하게 형성할 수 없게 된다. 따라서 노즐층(17)은 고체 상태인 광경화물질을 챔버층(16) 위에 부착하는 방식으로 형성하는 것이 좋다.
앞서 언급한 바와 같이, 저속 광경화물질의 경우 1um의 두께를 감광하는데 대략 100 ~ 400mJ/㎠의 노광이 요구되도록 하고, 고속 광경화물질의 경우 1um의 두 께를 감광하는데 대략 8 ~ 23mJ/㎠의 노광이 필요하도록 한다면, 챔버층(16)을 감광하는데 필요한 에너지가 노즐층(17)을 감광하는데 필요한 에너지의 대략 5 ~ 54배가 된다. 바람직하게는 15~20배가 좋다. 즉 챔버층(16)을 감광할 때는 노즐층(17)에 비하여 많은 에너지와 시간이 필요하게 된다. 따라서 도 4에 도시한 바와 같이, 노즐층(17)의 노광을 하더라도 챔버층(16)은 광 반응이 거의 생기지 않는다. 즉 노즐층(17)의 노광단계에서 챔버층(16)의 비 노광부분이 노광되더라도 이 부분이 저속 광경화물질이기 때문에 실질적으로 감광되지 않는다. 저속 광경화물질은 감광을 하는데 이보다 수십 배의 에너지가 더 필요하기 때문이다.
결과적으로 이러한 공정들에 의하면, 잉크챔버(16a) 및 노즐(17a)을 균일하게 형성할 수 있게 된다. 챔버층(16)과 노즐층(17)의 두께도 균일하게 형성할 수 있고, 노즐(17a)에 버르(burr)가 생기는 현상도 방지할 수 있게 된다. 특히 이러한 방식은 종래의 희생층 도포공정, 화학적 기계적 연마를 통해 희생층 상부를 연마하는 공정 등을 배제할 수 있게 되므로 종래에 비하여 제조공정을 현저히 줄일 수 있게 된다.
노즐층(17)의 노광을 수행한 후에는 도 5에 도시한 바와 같이, 챔버층(16)과 노즐층(17)의 비노광부분을 현상액을 이용해 제거함으로써 잉크챔버(16a)와 노즐(17a)을 형성한다. 그리고 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(10)의 배면 쪽을 식각하여 잉크공급구(18)를 형성한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제 조방법은 챔버층을 저속 광경화성물질로 형성하고 노즐층을 고속 광경화성물질로 형성함으로써 노즐층의 노광을 수행하는 과정에서 챔버층(저속 광경화성물질)은 광 반응이 거의 생기지 않도록 할 수 있다. 따라서 잉크챔버 및 노즐을 균일하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은 종래의 희생층 도포공정, 화학적 기계적 연마공정 등을 배제할 수 있으므로 종래에 비하여 제조공정을 단순화할 수 있다. 따라서 제품의 불량요인을 줄일 수 있고, 생산성도 높일 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판 위에 저속 광경화물질로 챔버층을 형성하고;
    상기 챔버층을 노광하여 잉크유로의 벽 부분을 경화시키고;
    상기 잉크유로의 벽 부분 경화가 완료된 후 상기 챔버층 위에 상기 저속 광경화물질보다 광 반응이 빠른 고속 광경화물질로 노즐층을 형성하고;
    상기 노즐층을 노광하여 노즐 이외의 영역을 경화시키고;
    상기 챔버층 및 상기 노즐층의 비 노광부분을 현상하여 상기 잉크유로와 상기 노즐을 형성하는 공정을 포함하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층은 액상으로 된 상기 저속 광경화물질을 스핀코팅방식으로 형성하고,
    상기 노즐층은 고체박막의 상기 고속 광경화물질을 상기 챔버층 위에 부착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 100 ~ 400mJ/㎠의 노광이 요구되도록 하는 광감응제(sensitizer)를 포함하고,
    상기 고속 광경화물질은 1um의 두께를 감광하는데 8 ~ 23mJ/㎠의 노광이 요 구되도록 하는 광감응제를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저속 광경화물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy) 중 하나를 포함하는 액체상의 물질이고,
    상기 고속 광경화물질은 감광성 폴리마이드(Polymide), 감광성 폴리아미드(Polyamide), 감광성 에폭시(Epoxy) 중 하나를 포함하는 고체상의 물질이며,
    상기 저속 광경화물질과 상기 고속 광경화물질은 광감응제(sensitizer)의 함량이 다른 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 배면 쪽을 식각하여 잉크공급구를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층의 형성 전에 상기 기판 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 위에 히터층 및 도선층을 형성하고, 상기 히터층과 상기 도선층을 보호하는 보호층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
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