KR20040054036A - 모노리식 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명에 의한 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법은, 상면에 잉크를 가열하기 위한 발열체와 보호층을 형성한 기판을 마련하는 단계와; 상기 기판 상면에 챔버 플레이트를 형성하는 단계와; 상기 챔버 플레이트의 유로부분이 형성될 위치에 희생층 포토레지스트를 형성하는 단계와; 상기 챔버 플레이트의 상면에 노즐이 형성될 노즐 플레이트를 형성하는 단계와; 제1 포토 마스크를 이용하여 상기 노즐 플레이트를 노광하는 단계와; 상기 제1 포토 마스크보다 노광 사이즈가 작은 제2 포토 마스크를 이용하여 상기 제1 포토 마스크로 노광되지 않은 영역의 노즐 플레이트를 재노광하는 단계와; 상기 제1 포토 마스크를 이용한 제1 노즐과, 상기 제2 포토 마스크를 이용한 제2 노즐을 현상하는 단계와; 상기 기판의 하면을 에칭하여 공급홀을 형성하는 단계; 및 상기 희생층 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함한다.

이에 의하면, 노즐의 형상이 테이퍼 형상으로 되어 헤드 성능, 즉 액적속도, 액적량 및 주파수 특성이 개선되며, 각 노즐마다 노즐형상이 균일하므로, 헤드 성능이 균일하다. 이에 따라 균일한 성능의 헤드를 대량생산하는 것이 용이하다.

Description

모노리식 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법 {A METHOD FOR FABRICATING MONOLITHIC INK-JET PRINT HEAD}

본 발명은 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 모노리식 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 잉크젯 프린터는 소음이 작고 해상도가 우수할 뿐만 아니라 저가로 칼라 구현이 가능하기 때문에, 소비자의 수요가 급속하게 신장되고 있다. 일반적으로 잉크젯 프린터에 적용되는 대표적인 프린팅 방식은 소위 써멀(Thermal) 프린팅 방식과 압전체 구동 프린팅 방식 등이 있다.

도 1은 일반적인 써멀 프린팅 방식 잉크젯 프린트 헤드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 잉크는 프린트 헤드(10)의 기판(1) 하면으로부터 잉크 공급홀(2)를 통하여 기판(1)의 상면으로 공급된다.

잉크 공급홀(2)을 통해서 공급되는 잉크는 챔버 플레이트(8)와 노즐 플레이트(9)에 의해 형성된 리스트릭터(3)를 따라서 잉크 챔버(4)에 도달한다. 잉크 챔버(4)에 일시적으로 정체된 잉크는 보호층(5) 아래에 있는 히터(6)로부터 발생된 열에 의해서 순간적으로 가열된다.

이 때, 잉크는 폭발성 버블을 발생하고, 이에 따라 잉크 챔버(4)내의 잉크 중 일부가 발생된 버블에 의해 잉크 챔버(4)위에 형성된 잉크 노즐(7)을 통하여 프린트 헤드(10)밖으로 토출된다.

이러한 프린트 헤드(10)에서, 챔버 플레이트(8)와 노즐 플레이트(9)는 잉크의 흐름, 잉크의 분사모양 및 분사 주파수 특성에 영향을 주는 중요한 요소이다. 따라서, 챔버 플레이트(8)와 노즐 플레이트(9)의 재질, 형상 및 그 제조방법 등에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

현재, 챔버 플레이트와 노즐 플레이트와 관련한 프린트 헤드의 제조방식은 기판과 노즐 플레이트를 별도로 제조한 후 이들을 정렬시켜서 감광성을 갖는 고분자 박막으로 붙이는 접합 방식과, 챔버 플레이트와 노즐플레이트를 기판위에 일체 또는 별개로 직접 형성하는 모노리식 방식이 사용되고 있다.

종래 챔버 플레이트와 노즐 플레이트와 관련한 프린트 헤드의 접합방식 제조방법이 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다. 이를 참조하여 종래의 프린트 헤드의 제조공정을 간단히 살펴본다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1)에 히터(6)와 보호층(5)이 형성된다. 이 때, 히터(6)는 실리콘 기판(1)의 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘을 증착시킨 다음 이를 패터닝하는 것에 의해 형성된다.

또한, 보호층(5)은 히터의 보호막으로써 실리콘 질화막을 대략 0.5㎛ 두께로 저압화학기상 증착법(LPCVD)로 증착하는 것에 의해 형성된다.

그 다음, 실리콘 기판(1)의 하면에 잉크 공급구를 구성하는 잉크 공급홀(2)을 형성하기 위한 예비 잉크 공급홀(2')이 형성된다. 이 때, 기판(1)은 예비 잉크 공급홀(2')에서 완전히 관통되지 않고 약 20㎛의 두께가 남겨진다.

한편, 노즐 플레이트(9)는 주로 폴리이미드(polyimid) 필름이 사용되며, 잉크가 분출되는 노즐(7)이 노즐 플레이트(9) 상에 형성된다.

상기 노즐(7)의 통상적인 가공방법은 니켈 전주도금을 이용하였으나, 노즐 플레이트(9)의 두께 등 그 규격 증가로 인한 노즐의 정형화가 어려워 프린팅 품질에 악영향을 미치게 됨에 따라, 최근에는 엑시머 레이저빔(eximer laser beam)을 이용한 가공방법이 널리 이용되고 있다.

엑시머 레이저빔은 주지된 바와 같이 자외선 영역에서 발진하는 유일한 고출력 레이저빔으로서, 가공하고자 하는 대상물의 조직을 특수한 광화학적 작용에 의해 열에 의한 손상없이 정확하게 파괴함으로써 계획된 양만큼의 조직을 정밀 가공할 수 있다.

상기 엑시머 레이저 가공방법에 의해 노즐(7)이 형성된 노즐 플레이트(9)는 접착제(11)에 의해 상기 기판(1) 상면에 접착되게 된다.

그 다음, 잉크 공급홀(2)을 형성하기 위해 도 2c에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 하면에 예비 잉크 공급홀(2')에서 완전히 관통되지 않고 남아 있는 약 20㎛의 두께의 기판부분이 에칭제거되어 프린트 헤드(10)의 제조가 종료된다.

그러나, 상기한 바와 같은 프린트 헤드(10)의 접합방식 제조방법은 엑시머 레이저빔에 의해 형성된 노즐(7)이 테이퍼 형상으로 형성되지 않아서, 액적이 노즐(7)을 통과할 때 매니스커스(meniscus) 거동이나 유체역학적으로 안정된 토출의 구현이 어려운 문제가 발생한다.

또한, 노즐(7)이 형성된 노즐 플레이트(9)를 기판(1)에 접착해서 사용해야 하므로 접착시 기판(1)과 노즐 플레이트(9)의 정렬이 어려우며, 각각의 칩 단위로 접착이 이루어지므로 헤드(10) 생산성 및 수율이 좋지 않은 문제가 발생한다.

또한, 접착된 폴리이미드 즉, 노즐 플레이트(9)는 장시간 잉크와 접촉되면 층박리(delamination)가 발생되는 문제가 발생한다.

또한, 모놀리식 방식 제조방법은 테이퍼 형상의 노즐을 형성하기가 쉽지 않으며, 모든 노즐에 대하여 테이퍼 형상을 균일하게 가공하기 어려운 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은 모놀리식 방식에 의하여 모든 노즐의 테이퍼 형상이 균일하게 가공될 수 있고, 기판과 노즐 플레이트 등을 보다 정교하게 정렬할 수 있으며, 그 생산성 및 수율이 높아지는 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 일반적인 프린트 헤드의 단면도,

도 2a 내지 도 2c는 종래의 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을 나타내는 공정도,

도 3a 내지 도 3j는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을 나타내는 공정도,

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 평면도,

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 단면도,

도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드 노즐의 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 기판 2 : 잉크 공급홀

3 : 리스트릭터 4 : 잉크 챔버

20 : 챔버 플레이트 21 : 희생층 포토레지스트

40 : 제1 포토 마스크 50 : 제2 포토 마스크

60 : 노즐 플레이트 70 : 노즐

71 : 제1 노즐 72 : 제2 노즐

100 : 프린트 헤드

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법은, 상면에 잉크를 가열하기 위한 발열체와 보호층을 형성한 기판을 마련하는 단계와; 상기 기판 상면에 챔버 플레이트를 형성하는 단계와; 상기 챔버 플레이트의 유로부분이 형성될 위치에 희생층 포토레지스트를 형성하는 단계와; 상기 챔버 플레이트의 상면에 노즐이 형성될 노즐 플레이트를 형성하는 단계와; 제1포토 마스크를 이용하여 상기 노즐 플레이트를 노광하는 단계와; 상기 제1 포토 마스크보다 노광 사이즈가 작은 제2 포토 마스크를 이용하여 상기 제1 포토 마스크로 노광되지 않은 영역의 노즐 플레이트를 재노광하는 단계와; 상기 제1 포토 마스크를 이용한 제1 노즐과, 상기 제2 포토 마스크를 이용한 제2 노즐을 현상하는 단계와; 상기 기판의 하면을 에칭하여 공급홀을 형성하는 단계; 및 상기 희생층 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 챔버 플레이트를 형성하는 단계는, 상기 기판위에 네거티브 포토 레지스트를 형성하는 단계와; 챔버 플레이트 패턴이 형성된 포토 마스크를 사용하여 상기 네거티브 포토 레지스트를 포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계; 및 패터닝된 상기 기판을 하드 베이킹하는 단계를 포함한다. 상기 네거티브 포토 레지스트를 형성하는 단계는, 네거티브 포토 레지스트를 30~40㎛의 두께로 형성하는 것을 포함한다.

상기 네거티브 포토 레지스트는 감광성 에폭시 수지 및 폴리이미드계 수지 중 어느 하나로 형성된다.

또한, 상기 노즐 플레이트는 에폭시계 수지의 네거티브 감광성 필름 레지스트인 것을 특징한다. 이 때, 상기 네거티브 감광성 필름 레지스트는, UV 흡광도가 높은 나노 크기의 염료입자를 포함하여 형성한다.

상기 제2 포토 마스크를 이용하여 상기 노즐 플레이트를 재노광하는 단계는, UV 도스(dose)량에 따라 UV가 상기 제1 노즐과 제2 노즐의 경계까지만 도달되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 및 다른 특징들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 보다 명백해질 것이다. 참고로 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 종래와 그 구성 및 작용이 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 인용한다.

도 4a와 도 4b는 본 발명에 의한 버블 잉크젯 프린트 헤드를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 본 발명에 의한 모노리식 잉크젯 프린트 헤드(100)는 잉크를 가열하기 위한 다수의 히터(6)와 잉크 카트리지(미도시)로부터 잉크를 공급받는 잉크 공급구를 구성하는 잉크 공급홀(2)을 갖춘 기판(2)과, 잉크 공급홀(2)과 연결된 다수의 리스트릭터(3), 리스트릭터(3)와 연결된 다수의 잉크 챔버 (4)등의 유로구조를 형성하도록 기판(1)위에 형성된 챔버 플레이트(20), 그 단면이 테이퍼 형상으로 형성된 다수의 노즐(70)이 형성되며 챔버 플레이트(20) 위에 형성된 노즐 플레이트(60)를 포함한다. 여기서 상기 노즐(70)은, 테이퍼의 하부를 구성하는 제1 노즐(71)과 그 상부를 구성하는 제2 노즐(72)로 구성된다.

도 3a 내지 도 3j는 본 발명에 의한 모노리식 잉크젯 프린트 헤드의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이를 참조하여 본 발명에 의한 모노리식 버블 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법을 설명한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상면에 소자 분리막(미도시), 층간 절연막(미도시), 히터(6), 보호층(5) 등이 차례로 형성된 실리콘 기판(1)이 준비된다.

이 때, 히터(1)는 비저항이 높은 금속과 낮은 금속이 적층되어 있는 금속 박막 중 부분적으로 저항이 낮은 금속을 선택적으로 에칭하거나, 실리콘 기판(1)의 상면 전면에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘을 증착시킨 다음 이를 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다.

또한, 기판(1)에는 히터(6)외에도 도면에서는 도시하지 않았지만 트랜지스터와 스위칭 소자, 스위칭 소자와 연결되는 배선, 배선과 외부 회로부의 리드단부와 연결하는 패드 등이 형성된다.

히터(6) 위에 형성된 보호층은 실리콘 질화막(silicon nitride), 실리콘 탄소막(silicon carbide) 등으로 구성된 패시베이션층(passivation layer : 미도시)과, 패시베이션층 위에 Ta, TaN, TiN 등의 금속막으로 증착된 캐비테이션 방지층(anti-cavitation layer : 미도시)으로 형성된다.

기판(1)이 준비된 후, 기판(1)의 보호층(5) 위쪽에는 챔버 플레이트(20)를 형성하기 위한 네거티브 포토 레지스트가 형성된다. 네거티브 포토 레지스트는 감광성 에폭시계 수지, 또는 폴리이미드계 수지 등을 스핀 코팅(spin coating)방식으로 형성한다.

이 때, 네거티브 포토 레지스트의 두께는 해상도에 영향을 주는 일회 토출시의 액적(droplet)량에 따라 결정된다. 이 액적량은 잉크 챔버의 높이, 리스트릭터의 크기, 노즐의 직경, 히터의 크기 등 제품별로 다양한 치수의 유로구조에 영향을 받는다. 따라서, 다양한 치수의 유로구조를 만족시키기 위해서는 네거티브 포토 레지스트의 두께를 30 내지 40㎛의 범위내에서 형성하는 것이 바람직하다.

그 후, 네거티브 포토 레지스트는 도 3b, 3c에 도시된 바와 같이 리스트릭터, 잉크 챔버 등의 유로구조를 포함하는 챔버 플레이트(20) 패턴이 형성된 포토 마스크(30)를 사용하여 UV 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정으로 패터닝 되며, 그 결과, 챔버 플레이트(20)가 형성된다.

챔버 플레이트(20)가 형성된 후, 챔버 플레이트(20)를 기판(1), 즉 캐비테이션 방지층에 보다 긴밀하게 고착하기 위한 하드 베이킹 공정이, 예를 들면 수십에서 수백도, 수분에서 수시간 동안 기판(1)에 대해 진행된다.

하드 베이킹 공정후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 챔버 플레이트(20)의 유로부분이 형성될 위치에 희생층 포토레지스트(21)를 형성한다. 희생층 포토레지스트(21)는 추후에 제거되어 리스트릭터(3)와 잉크 챔버(4)를 제공한다. 희생층 포토레지스트(21)의 높이는 약 30 내지 40㎛로, 추후에 형성될 리스트릭터(3)와 잉크 챔버(4)의 높이가 된다.

이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이 챔버 플레이트(20)의 위쪽에 노즐(70)이 형성될 노즐 플레이트(60)를 형성한다. 노즐 플레이트(60)는 에폭시계 수지의 네거티브 감광성 필름 레지스트로 형성된다.

그 후, 도 3f 및 도 3g에 도시된 바와 같이, 노즐 플레이트(60)는 제1 포토 마스크(40)에 의해 노광된 후, 제1 포토 마스크(40)보다 노광 크기가 작은 제2 포토 마스크(50)에 의해 다시 노광된다. 제1 포토 마스크(40)를 통한 제1 노즐(71)과 제2 포토 마스크(50)를 통한 제2 노즐(72)이 노광되어 이 후의 현상과정에 의해 테이퍼 형상으로 노즐(70)이 형성된다.

여기서, 상기 제2 포토 마스크(50)에 의한 재노광은, 제1 포토 마스크(40)에의해 노광되지 않은 영역을 노광하며, 테이퍼 형상을 형성하기 위해 UV 도스(dose)량을 조절하여 제1 노즐(71)과 제2 노즐(72)의 경계까지만 도달되도록 한다. 이와 같이 포토리소그래피 공정의 특성에 의해, 도 4c에 도시된 바와 같이 노즐(70)은 제1 노즐(71)과 제2 노즐(72)의 연결부분이 비선형(non-linear)으로 되지 않고 선형(linear)으로 형성된다.

이와 같이 형성된 테이퍼 형상은 액적의 매니스커스(meniscus) 거동이나 유체역학적으로 안정된 토출 양태를 구현할 수 있다.

이와 같이 제1 노즐(71)과 제2 노즐(72)을 형성하기 위해 재노광시 UV의 투과 길이를 효과적으로 제어하도록, 노즐 플레이트(60)는 UV의 흡광도가 높은 나노크기의 염료입자를 포함하는 것이 바람직하다. 이를 에폭시계열의 수지에 포함하여 노즐 플레이트(60)를 형성함으로써, 흡광도가 높은 상기 나노크기의 염료입자가 노즐 플레이트(60)내에 분산되어 있다. 따라서, UV가 조사될 때, UV 도스량에 따른 노즐 플레이트(60)의 투과 길이의 민감도를 감소시킨다. 예를 들면, 노즐 플레이트(60)의 밑바닥까지 제1 마스크에 의해 노광되는 시간이 t₁인 경우, 제2 마스크에 의해 노광되는 시간을 상기 t₁보다 짧게 하면, 광 투과길이를 조절할 수 있다.

그 후, 기판(1)의 하면에는 잉크 공급홀(2) 패턴이 형성된 포토 마스크를 사용하여 노광 및 현상하는 포토리소그래피 공정이 이루어진다.

이에 의하여, 도 3i에 도시된 바와 같이, 기판의 하면은 에칭되며, 챔버 플레이트(20)내의 유로와 연통되는 잉크 공급홀(2)이 형성된다.

이 후, 희생층 포토레지스트(21)가 제거되어 잉크 공급홀(2)과 연통되는 잉크 챔버(4)와 리스트릭터(3)가 형성되고, 프린트 헤드의 제조가 종료된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 노즐의 형상이 테이퍼 형상으로 되어 헤드 성능, 즉 액적속도, 액적량 및 주파수 특성이 개선되며, 각 노즐마다 노즐형상이 균일하므로, 헤드 성능이 균일하다. 이에 따라 균일한 성능의 헤드를 대량생산하는 것이 용이하다.

또한, 노즐 플레이트를 기판과 정렬시켜서 접착제로 붙이는 작업과 이를 수행하기 위한 장비들이 불필요하며, 보다 정교하게 기판, 챔버 플레이트 및 노즐 플레이트를 정렬시킬 수 있다. 그러므로 제조 공정을 줄일 수 있어서 제조 원가의 절감과 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 정밀한 정렬이 필요한 고 해상도용 프린트 헤드를 제조할 수 있다.

이상, 본 발명을 본 발명을 설명하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 기판의 상면에 잉크를 가열하기 위한 발열체와 보호층을 형성하는 단계;

   상기 기판 상면에 챔버 플레이트를 형성하는 단계;

   상기 챔버 플레이트의 유로부분이 형성될 위치에 희생층 포토레지스트를 형성하는 단계;

   상기 챔버 플레이트의 상면에 노즐이 형성될 노즐 플레이트를 형성하는 단계;

   제1 포토 마스크를 이용하여 상기 노즐 플레이트를 노광하는 단계;

   상기 제1 포토 마스크보다 노광 사이즈가 작은 제2 포토 마스크를 이용하여 상기 제1 포토 마스크로 노광되지 않은 영역의 노즐 플레이트를 재노광하는 단계;

   상기 제1 포토 마스크를 이용한 제1 노즐과, 상기 제2 포토 마스크를 이용한 제2 노즐을 현상하는 단계;

   상기 기판의 하면을 에칭하여 공급홀을 형성하는 단계; 및

   상기 희생층 포토레지스트를 제거하는 단계;를 포함하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 챔버 플레이트를 형성하는 단계는,

   상기 기판위에 네거티브 포토 레지스트를 형성하는 단계;

   챔버 플레이트 패턴이 형성된 포토 마스크를 사용하여 상기 네거티브 포토 레지스트를 포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계; 및

   패터닝된 상기 기판을 하드 베이킹하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 네거티브 포토 레지스트를 형성하는 단계는,

   네거티브 포토 레지스트를 30~40㎛의 두께로 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 네거티브 포토 레지스트는 감광성 에폭시 수지 및 폴리이미드계 수지 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
5. 상기 제1항에 있어서, 상기 노즐 플레이트는 에폭시계 수지의 네거티브 감광성 필름 레지스트인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 네거티브 감광성 필름 레지스트는, UV 흡광도가 높은 나노크기의 염료입자를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 포토 마스크를 통하여 상기 노즐 플레이트를 재노광하는 단계는,

   도스(dose)량에 따라 UV가 상기 제1 노즐과 제2 노즐의 경계까지만 도달되도록 하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법.