KR20050112447A - Monolithic ink jet head and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
일체식 잉크젯 헤드 및 그 제조방법이 제공된다. 상기 일체식 잉크젯 헤드는 잉크 토출을 위한 압력 생성요소가 마련된 기판을 포함한다. 상기 기판 상에 잉크가 이동하는 유로의 측벽을 구성하는 챔버 플레이트가 배치된다. 상기 압력 생성요소와 대응하고 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부 노즐이 마련된 하부 노즐 플레이트가 상기 유로의 상부면을 구성하도록 상기 챔버 플레이트 상에 배치된다. 상기 하부 노즐과 유체연통하고 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부 노즐이 마련된 상부 노즐플레이트가 상기 하부 노즐 플레이트 상에 배치된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 하부 노즐 플레이트는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 상부 노즐 플레이트는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. An integrated inkjet head and a method of manufacturing the same are provided. The integrated inkjet head includes a substrate provided with a pressure generating element for ejecting ink. A chamber plate constituting a side wall of a flow path through which ink moves is disposed on the substrate. A lower nozzle plate corresponding to the pressure generating element and provided with a lower nozzle having a tapered sidewall profile is disposed on the chamber plate to form an upper surface of the flow path. An upper nozzle plate provided with an upper nozzle in fluid communication with the lower nozzle and having a straight sidewall profile is disposed on the lower nozzle plate. According to embodiments of the present invention, the lower nozzle plate is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a tapered sidewall profile during patterning by a photolithography process. In addition, the upper nozzle plate is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a linear sidewall profile during patterning by a photolithography process.
Description
본 발명은 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 일체식 잉크젯 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an inkjet head and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an integrated inkjet head and a method of manufacturing the same.
잉크젯 기록장치(ink jet recording device)는 인쇄용 잉크의 미소한 액적을 기록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 기록장치는 가격이 저렴하고 수 많은 종류의 색상을 높은 해상도로 인쇄할 수 있어 광범위하게 사용되고 있다. 상기 잉크젯 기록장치는 기본적으로 잉크가 실질적으로 토출되는 잉크젯 헤드(ink jet head)와 상기 잉크젯 헤드와 유체 연통되는 잉크 수납용기를 포함한다. 상기 잉크 수납용기에 함유되어 있던 잉크는 유로를 통하여 상기 잉크젯 헤드에 공급되고, 상기 잉크젯 헤드는 상기 잉크 수납용기로 부터 공급받은 잉크를 피기록재에 토출하여 인쇄를 행한다. An ink jet recording device is an apparatus for printing an image by discharging minute droplets of printing ink to a desired position on a recording medium. Such inkjet recording apparatuses are widely used because they are inexpensive and can print many kinds of colors at high resolution. The ink jet recording apparatus basically includes an ink jet head through which ink is substantially discharged, and an ink container in fluid communication with the ink jet head. Ink contained in the ink container is supplied to the ink jet head through a flow path, and the ink jet head discharges ink supplied from the ink container to the recording material to perform printing.
상기 잉크젯 헤드를 제조하는 공정은 상기 잉크젯 헤드를 구성하는 유로 구조물을 형성하는 방법에 따라 접착식과 일체식으로 구분될 수 있다. 상기 접착식에 의하면, 발열 저항체와 같은 압력 생성요소를 갖는 기판 상에 챔버 플레이트를 형성하는 공정과 잉크가 토출되는 노즐을 갖는 노즐 플레이트를 형성하는 공정이 별도로 진행된다. 이후, 상기 챔버층 상에 상기 노즐층을 접착시킴으로써 잉크젯 헤드를 제조한다. 그러나, 상기 접착방식에 의하면 상기 챔버 플레이트 상에 상기 노즐 플레이트를 부착시키는 과정에서 상기 압력생성요소와 상기 노즐간에 오정렬 (misalignment)가 발생하기 쉽다. 또한, 상기 챔버 플레이트와 상기 노즐 플레이트를 별도의 공정을 통하여 제조하게 됨으로써 공정이 복잡해지는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 일체식의 잉크젯 헤드 제조방법이 수행되고 있다. 상기 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법의 일예가 미국특허 제5,478,606호에 개시되어 있다.The process of manufacturing the inkjet head may be classified into an adhesive type and an integral type according to a method of forming a flow path structure constituting the inkjet head. According to the above adhesive process, a process of forming a chamber plate on a substrate having a pressure generating element such as a heat generating resistor and a process of forming a nozzle plate having a nozzle through which ink is discharged are separately performed. Thereafter, an inkjet head is manufactured by adhering the nozzle layer onto the chamber layer. However, according to the adhesive method, misalignment is likely to occur between the pressure generating element and the nozzle in the process of attaching the nozzle plate on the chamber plate. In addition, there is a disadvantage in that the process is complicated by manufacturing the chamber plate and the nozzle plate through a separate process. In order to overcome these disadvantages, an integrated inkjet head manufacturing method has been performed. An example of a method of manufacturing the integrated inkjet head is disclosed in US Pat. No. 5,478,606.
한편, 잉크젯 헤드에 있어서 잉크의 토출구로 제공되는 노즐의 형상은 잉크의 토출특성에 중요한 영향을 미친다. 상기 노즐의 길이가 짧으면, 토출되는 잉크 액적의 직진성이 저하되는 단점과 함께, 잉크 액적의 토출 후에 잉크 표면의 메니스커스(meniscus)가 노즐 내에 형성되지 못하고 잉크 챔버 내로 침입할 수도 있어 안정적인 고속인쇄를 구현하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 노즐은 노즐의 출구쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼(taper) 형태를 갖는 것이 바람직하다. 상기 노즐이 테이퍼 형태로 되어 있는 경우, 유체 저항이 감소되어 잉크 액적의 토출 속도가 빨라지게 된다. 따라서, 잉크 액적의 직진성을 향상시키고 고속인쇄를 구현하기 위하여 노즐은 잉크의 입구 쪽에서는 테이퍼 형태를 갖고 노즐의 출구 쪽에서는 직선형태를 갖는 것이 가장 바람직할 것이다.On the other hand, the shape of the nozzle provided in the ejection opening of the ink in the inkjet head has an important influence on the ejection characteristics of the ink. If the length of the nozzle is short, the straightness of the ejected ink droplets is deteriorated, and after the ejection of the ink droplets, meniscus on the surface of the ink may not be formed in the nozzle and may enter the ink chamber, thereby providing stable high speed printing. Difficult to implement In addition, the nozzle preferably has a taper shape in which the diameter decreases toward the outlet of the nozzle. When the nozzle is tapered, the fluid resistance is reduced to speed up the ejection speed of the ink droplets. Therefore, in order to improve the straightness of ink droplets and to realize high-speed printing, it is most preferable that the nozzle has a tapered shape at the inlet side of the ink and a straight shape at the outlet side of the nozzle.
상기 노즐을 형성하는 방법으로는 엑시머 레이저에 의한 패터닝, 전기 도금법, 마이크로 펀칭/연마공정 또는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝이 있다. 이중 상기 전기 도금법 및 마이크로 펀칭/연마공정에 의한 방법은 일체식 잉크젯 헤드의 제조에 적용하기에는 공정상의 난점이 있다. 상기 엑시머 레이저에 의한 패터닝에 의하는 경우 좁은 단면의 노즐이 길게 형성되어 같은 양의 액적이 토출되는 경우 잉크 액적의 토출 후에 잉크 표면의 메니스커스 (meniscus)가 잉크 챔버 쪽으로 후퇴하게 됨으로써 안정적인 고속인쇄를 구현하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝은 상기 미국특허 제5,478,606호에 개시된 바와 같이 네가티브 감광성 수지층을 노즐 플레이트 재료층으로 형성하고, 상기 네가티브 감광성 수지층을 포토리소그래피 공정에 의하여 패터닝함으로서 노즐을 형성한다. 그러나, 이 방법에 의하는 경우에는 노즐이 직선 형태 또는 테이퍼 형태의 한가지 형태의 측벽 프로파일을 갖게 되므로 이들을 동일 노즐 내에 동시에 구현할 수 없다.The method for forming the nozzle includes patterning by excimer laser, electroplating, micro punching / polishing process or photolithography process. Of these, the electroplating method and the method by the micro punching / polishing process have a process difficulty to apply to the manufacture of the integrated inkjet head. In the case of patterning by the excimer laser, a nozzle having a narrow cross section is formed long and the same amount of droplets are ejected. Difficult to implement In addition, the patterning by the photolithography process forms a nozzle by forming a negative photosensitive resin layer as a nozzle plate material layer, and patterning the negative photosensitive resin layer by a photolithography process, as disclosed in US Pat. No. 5,478,606. . However, in this method, since the nozzles have one type of sidewall profile of straight or tapered shape, they cannot be simultaneously implemented in the same nozzle.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직선 형태 및 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 동일 노즐 내에 재현성 있게 구현함으로써 인쇄시 잉크 액적의 직진성을 향상시키고, 고속인쇄를 구현할 수 있는 잉크젯 헤드를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide an inkjet head capable of improving the straightness of ink droplets during printing and realizing high-speed printing by reproducibly implementing linear and tapered sidewall profiles in the same nozzle.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 잉크젯 헤드를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the inkjet head.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부노즐 및 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부노즐을 구비하는 일체식 잉크젯 헤드를 제공한다. 상기 잉크젯 헤드는 잉크 토출을 위한 압력 생성요소가 마련된 기판을 포함한다. 상기 기판 상에 잉크가 이동하는 유로의 측벽을 구성하는 챔버 플레이트가 배치된다. 상기 압력 생성요소와 대응하고 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부 노즐이 마련된 하부 노즐 플레이트가 상기 유로의 상부면을 구성하도록 상기 챔버 플레이트 상에 배치된다. 상기 하부 노즐과 유체연통하고 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부 노즐이 마련된 상부 노즐플레이트가 상기 하부 노즐 플레이트 상에 배치된다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides an integrated inkjet head having an upper nozzle having a straight sidewall profile and a lower nozzle having a tapered sidewall profile. The inkjet head includes a substrate provided with a pressure generating element for ejecting ink. A chamber plate constituting a side wall of a flow path through which ink moves is disposed on the substrate. A lower nozzle plate corresponding to the pressure generating element and provided with a lower nozzle having a tapered sidewall profile is disposed on the chamber plate to form an upper surface of the flow path. An upper nozzle plate provided with an upper nozzle in fluid communication with the lower nozzle and having a straight sidewall profile is disposed on the lower nozzle plate.
본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 하부 노즐 플레이트는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 상부 노즐 플레이트는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 하부 노즐플레이트를 이루는 네가티브 감광성 수지층은 상기 상부 노즐플레이트를 이루는 네가티브 감광성 수지층 보다 높은 흡광계수를 갖을 수 있다.According to embodiments of the present invention, the lower nozzle plate is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a tapered sidewall profile during patterning by a photolithography process. In addition, the upper nozzle plate is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a linear sidewall profile during patterning by a photolithography process. Preferably, the negative photosensitive resin layer constituting the lower nozzle plate may have a higher absorption coefficient than the negative photosensitive resin layer constituting the upper nozzle plate.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 상기 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 잉크 토출을 위한 압력을 생성시키는 압력 생성요소를 갖는 기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 기판 상에 잉크가 이동하는 유로의 측벽을 구성하는 챔버 플레이트 및 상기 챔버 플레이트 사이를 채우는 희생 몰드층을 형성한다. 상기 챔버 플레이트 및 상기 희생 몰드층 상에 하부 수지층 및 상부 수지층을 차례로 형성하되, 상기 하부 수지층은 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 형성하고, 상기 상부 수지층은 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 형성한다. 다음으로, 노즐 패턴이 마련된 포토마스크를 사용하여 상기 상부 수지층 및 하부 수지층에 대한 선택적인 노광을 수행한다. 상기 상부 수지층 및 상기 하부 수지층 중 노광되지 않은 부분을 제거하여, 상기 압력 생성요소와 대응하도록 상기 하부 수지층을 관통하고 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부 노즐이 마련된 하부 노즐 플레이트 및 상기 하부 노즐과 유체연통 하도록 상기 상부 수지층을 관통하고 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부 노즐이 마련된 상부 노즐 플레이트를 형성하는 것을 포함한다. In order to achieve the above another technical problem, the present invention provides a method of manufacturing the inkjet head. The method includes preparing a substrate having a pressure generating element for generating pressure for ink ejection. A sacrificial mold layer is formed on the substrate to fill the chamber plate constituting the sidewall of the flow path through which ink moves and the chamber plate. A lower resin layer and an upper resin layer are sequentially formed on the chamber plate and the sacrificial mold layer, and the lower resin layer is formed of a negative photosensitive resin layer patterned to have a tapered sidewall profile during patterning by a photolithography process. The upper resin layer is formed of a negative photosensitive resin layer patterned to have a linear sidewall profile during patterning by a photolithography process. Next, selective exposure of the upper resin layer and the lower resin layer is performed using a photomask provided with a nozzle pattern. A lower nozzle plate and a lower nozzle provided with a lower nozzle passing through the lower resin layer and having a tapered sidewall profile to correspond to the pressure generating element by removing an unexposed portion of the upper resin layer and the lower resin layer; And forming an upper nozzle plate penetrating the upper resin layer in fluid communication with the upper resin plate and provided with an upper nozzle having a straight sidewall profile.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.1 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an integrated inkjet head according to embodiments of the present invention.
먼저 도 6을 참조하여 본발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드에 대하여 설명한다.First, an integrated inkjet head according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 6.
도 6을 참조하면, 기판(100) 상에 잉크 토출을 위한 압력 생성요소들(102)이 배치된다. 상기 기판(100)은 약 500㎛의 두께를 갖는 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 이는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 실리콘 기판을 그대로 사용할 수 있어 대량생산에 효과적이다. 상기 압력 생성요소들(102)은 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 고저항 금속으로 형성된 발열저항체일 수 있다. 상기 압력 생성요소들 (102)을 갖는 기판 상에 챔버 플레이트(106)가 배치된다. 상기 챔버 플레이트 (106)는 잉크 챔버(120) 및 리스트릭터(122)를 포함하는 유로의 측벽을 구성한다. 상기 챔버 플레이트(106)는 감광성 수지층 또는 비감광성 수지층으로 이루어 질 수 있다. 상기 챔버 플레이트(106)가 감광성 수지층인 경우에 상기 챔버 플레이트 (106)는 예를 들어, 에폭시계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리아크릴레이트계 수지와 같은 네가티브 감광성 수지층인 것이 바람직하다. 또한, 상기 챔버 플레이트(106) 상에 상기 압력 생성요소들(102)과 대응하는 노즐들(116)을 갖는 노즐 플레이트(114)가 배치된다. 상기 기판(100)의 중심부에는 상기 기판(100)을 관통하는 잉크 공급로(118)가 배치된다.Referring to FIG. 6, pressure generating elements 102 for ejecting ink are disposed on the substrate 100. The substrate 100 is preferably a silicon substrate having a thickness of about 500 μm. This is effective for mass production since the silicon substrate which is widely used in the manufacture of semiconductor devices can be used as it is. The pressure generating elements 102 may be heat generating resistors formed of a high resistance metal such as tantalum-aluminum alloy. A chamber plate 106 is disposed on a substrate having the pressure generating elements 102. The chamber plate 106 constitutes a sidewall of the flow path including the ink chamber 120 and the restrictor 122. The chamber plate 106 may be made of a photosensitive resin layer or a non-photosensitive resin layer. In the case where the chamber plate 106 is a photosensitive resin layer, the chamber plate 106 is preferably a negative photosensitive resin layer such as an epoxy resin, a polyimide resin, or a polyacrylate resin. In addition, a nozzle plate 114 having nozzles 116 corresponding to the pressure generating elements 102 is disposed on the chamber plate 106. An ink supply path 118 penetrating the substrate 100 is disposed at the center of the substrate 100.
도시되지 않은 잉크 저장용기로 부터 제공된 잉크가 상기 잉크 공급로(118) 및 상기 리스트릭터(122)를 순차적으로 거쳐 상기 잉크 챔버 (120)에 임시로 저장된다. 상기 잉크 챔버(120)에 저장된 잉크는 상기 압력 생성요소(102)로 제공되는 발열체에 의하여 순간적으로 가열되며 이때 발생한 압력에 의하여 액적의 형태로 상기 노즐(116)의 통하여 토출된다.Ink provided from an ink reservoir not shown is temporarily stored in the ink chamber 120 via the ink supply passage 118 and the restrictor 122 sequentially. Ink stored in the ink chamber 120 is instantaneously heated by the heating element provided to the pressure generating element 102 and is discharged through the nozzle 116 in the form of droplets by the pressure generated at this time.
본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 노즐 플레이트(114)는 하부 노즐 플레이트(110′) 및 상기 하부 노즐 플레이트(110′) 상에 적층된 상부 노즐 플레이트 (112′)를 포함한다. 상기 하부 노즐 플레이트(110′)는 상기 잉크 챔버(120) 및 상기 리스트릭터(122)를 포함하는 유로의 상부면을 구성하도록 상기 챔버 플레이트(106) 상에 배치된다. 상기 하부 노즐 플레이트(110′)는 상기 압력 생성요소들(102)과 대응하고 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부 노즐들(116b)을 갖는다. 본 발명에 있어서, 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 노즐이라 함은 잉크 입구쪽의 단면적이 잉크 출구쪽의 단면적 보다 큰 형태를 갖는 노즐을 의미한다. 즉, 잉크 입구쪽으로 부터 잉크 출구쪽으로 갈수록 그 단면적이 좁아지는 형태를 갖는 노즐을 의미한다. 상기 하부 노즐 플레이트(110′)는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 상부 노즐 플레이트(112′)는 상기 하부 노즐 플레이트(110′) 상에 배치되되, 상기 하부 노즐들(116b)과 유체연통하고 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부 노즐들(116a)을 갖는다. 상기 상부 노즐 플레이트(112′)는 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 하부 노즐플레이트(110′)는 상기 상부 노즐플레이트(112′)를 이루는 네가티브 감광성 수지층 보다 높은 흡광계수를 갖는 네가티브 감광성 수지층으로 이루어질 수 있다. According to embodiments of the present invention, the nozzle plate 114 includes a lower nozzle plate 110 ′ and an upper nozzle plate 112 ′ stacked on the lower nozzle plate 110 ′. The lower nozzle plate 110 ′ is disposed on the chamber plate 106 to form an upper surface of a flow path including the ink chamber 120 and the restrictor 122. The lower nozzle plate 110 ′ has lower nozzles 116b that correspond to the pressure generating elements 102 and have a tapered sidewall profile. In the present invention, the nozzle having a tapered sidewall profile means a nozzle having a shape in which the cross-sectional area of the ink inlet side is larger than that of the ink outlet side. That is, it means a nozzle having a form in which the cross-sectional area thereof becomes narrower from the ink inlet toward the ink outlet. The lower nozzle plate 110 ′ is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a tapered sidewall profile during patterning by a photolithography process. The upper nozzle plate 112 ′ is disposed on the lower nozzle plate 110 ′ and has upper nozzles 116 a in fluid communication with the lower nozzles 116 b and having a straight sidewall profile. The upper nozzle plate 112 'is preferably made of a negative photosensitive resin layer patterned to have a linear sidewall profile during patterning by a photolithography process. For example, the lower nozzle plate 110 ′ may be formed of a negative photosensitive resin layer having a higher extinction coefficient than the negative photosensitive resin layer constituting the upper nozzle plate 112 ′.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 노즐 플레이트(114)는 하부 노즐들(116b)을 갖는 하부 노즐 플레이트(110′) 및 상부 노즐들(116a)을 갖는 상부 노즐 플레이트(112′)를 포함한다. 또한, 잉크 입구쪽에서는 테이퍼 형태를 갖고 잉크 출구쪽에서는 직선형태를 갖는 노즐들(116)을 갖는다. 그 결과, 충분한 노즐 길이를 확보할 수 있고 잉크 입구 쪽으로 갈수록 노즐의 단면적이 크게 형성됨으로써 잉크 액적 토출 후 잉크의 표면에 형성되는 메니스커스가 잉크 챔버 내부로 후퇴하는 것을 방지할 수 있게될 뿐만 아니라 잉크에 의한 유체 저항을 감소시켜 고속인쇄를 구현할 수 있게 된다. 또한, 잉크 출구쪽에서는 노즐이 직선 형태를 갖게 됨으로써 잉크의 직진성이 향상되어 인쇄의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.As described above, the nozzle plate 114 of the integrated inkjet head according to the embodiments of the present invention includes a lower nozzle plate 110 'having lower nozzles 116b and an upper nozzle plate having upper nozzles 116a. (112 '). It also has nozzles 116 having a tapered shape at the ink inlet side and a straight line at the ink outlet side. As a result, a sufficient nozzle length can be secured and the cross-sectional area of the nozzle is increased toward the ink inlet, so that the meniscus formed on the surface of the ink after ejecting the ink droplets can be prevented from retreating into the ink chamber. By reducing the fluid resistance by the ink it is possible to implement high-speed printing. In addition, since the nozzles have a straight shape on the ink outlet side, the straightness of the ink is improved and the reliability of printing can be improved.
이하에서는 도 1 내지 도6을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an integrated inkjet head according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
도 1을 참조하면, 먼저 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 반도체 소자의 제조공정에 사용되는 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 상기 기판(100) 상에 압력 생성요소들(102)을 형성한다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 압력 생성요소들(102)은 탄탈륨-알루미늄 합금과 같은 고저항 금속으로 이루어진 발열 저항체로 형성될 수 있다. 그 밖에 상기 기판(100) 상에는 상기 압력 생성요소들(102)에 전기적 신호를 공급하기 위한 배선, 외부 회로와 상기 압력 생성요소들(102)을 전기적으로 연결하기 위한 도전성 패드, 상기 기판(100) 상의 최하층에 형성되는 실리콘 산화막 열장벽층 및 상기 구조물들을 보호하기 위한 패시베이션층등이 더 형성될 수 있다. 상기 압력 생성요소들(102)을 포함하는 상기 구조물들의 형성방법 및 재료등은 본 발명의 사상을 한정하지 않으며 당업자에 공지된 기술에 의하여 다양하게 변형실시 될 수 있다. 따라서, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. Referring to FIG. 1, first, a substrate 100 is prepared. The substrate 100 is preferably a silicon substrate used in the manufacturing process of the semiconductor device. Pressure generating elements 102 are formed on the substrate 100. According to embodiments of the present invention, the pressure generating elements 102 may be formed of a heat generating resistor made of a high resistance metal such as tantalum-aluminum alloy. In addition, a wiring for supplying an electrical signal to the pressure generating elements 102, a conductive pad for electrically connecting the external circuit and the pressure generating elements 102, and the substrate 100 on the substrate 100. A silicon oxide thermal barrier layer formed on the lowermost layer of the phase and a passivation layer for protecting the structures may be further formed. The formation method and material of the structures including the pressure generating elements 102 do not limit the spirit of the present invention and may be variously modified by techniques known to those skilled in the art. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
도 2를 참조하면, 상기 압력 생성요소들(102)을 갖는 기판 상에 챔버 수지층(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 챔버 수지층은 감광성 수지 또는 비감광성 수지를 상기 기판(100) 상에 스핀 코팅함으로써 형성될 수 있다. 상기 챔버 수지층을 감광성 수지로 형성하는 경우에, 상기 챔버 수지층은 네가티브 감광성을 갖는 에폭시(epoxy)계, 폴리이미드 (polyimid)계 또는 폴리아크릴레이트(poly acrylate)계 수지로 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 챔버 수지층을 패터닝하여 챔버 플레이트(106)를 형성한다. 상기 챔버 수지층이 네가티브 감광성 수지층으로 형성된 경우에 상기 챔버 수지층은 포토리소그래피 공정에 의하여 패터닝 될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 유로 패턴이 마련된 제1 포토마스크(104)를 사용하여 상기 챔버 수지층에 대한 노광을 수행한다. 이후, 예컨데 현상액, 아세톤, 할로겐 원소가 포함된 용매 또는 알칼리성 용매를 사용하여 비노광부, 즉 유로가 형성될 영역을 덮는 부분의 상기 챔버 수지층을 제거한다. 그 결과, 잉크가 이동하는 유로의 측벽을 구성하는 챔버 플레이트(106)가 상기 기판(100) 상에 형성된다. 반면, 상기 챔버 수지층을 비감광성 수지로 형성하는 경우에는 통상의 건식식각 공정을 수행하여 상기 챔버 플레이트(106)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2, a chamber resin layer (not shown) is formed on a substrate having the pressure generating elements 102. The chamber resin layer may be formed by spin coating a photosensitive resin or a non-photosensitive resin on the substrate 100. When the chamber resin layer is formed of photosensitive resin, the chamber resin layer may be formed of epoxy, polyimide, or polyacrylate resin having negative photosensitivity. Next, the chamber resin layer is patterned to form a chamber plate 106. When the chamber resin layer is formed of a negative photosensitive resin layer, the chamber resin layer may be patterned by a photolithography process. That is, as shown in FIG. 2, exposure to the chamber resin layer is performed using the first photomask 104 provided with a flow path pattern. Thereafter, for example, a developer, acetone, a solvent containing a halogen element, or an alkaline solvent is used to remove the chamber resin layer of the non-exposed portion, that is, the portion covering the region where the flow path is to be formed. As a result, a chamber plate 106 constituting the side wall of the flow path through which ink moves is formed on the substrate 100. On the other hand, when the chamber resin layer is formed of a non-photosensitive resin, the chamber plate 106 may be formed by performing a general dry etching process.
도 3을 참조하면, 상기 챔버 플레이트(106) 사이를 채우는 희생 몰드층(108)을 형성한다. 상기 희생 몰드층(108)은 포지티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 챔버 플레이트(106)가 형성된 기판 상에 상기 챔버 플레이트(106)를 덮도록 몰드 수지층(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 몰드 수지층은 후속 공정에서 용매에 의하여 제거될 수 있는 감광성 수지 또는 비감광성 수지로 형성될 수 있다. 상기 몰드 수지층을 감광성 수지로 형성하는 경우에는 포지티브 감광성 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 다음으로, 상기 챔버 플레이트(106)의 상부면이 노출되도록 상기 몰드 수지층에 대한 화학적 기계적 연마(Chemical mechanical polishing;CMP)를 수행하여 상기 챔버 플레이트(106) 사이를 채우는 희생 몰드층(108)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 도 2 및 도 3에서는 챔버 플레이트(106)를 먼저 형성하고 희생 몰드층(108)을 후속공정에 의하여 형성하였으나, 상기 챔버 플레이트(106) 및 상기 희생 몰드층(108)을 형성하는 공정은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 먼저 상기 기판(100) 상에 유로가 형성될 영역을 덮는 희생 몰드층(108)을 형성 한후 상기 희생 몰드층(108)의 측벽부에 챔버 플레이트(106)를 형성할 수 도 있다. 즉, 몰드 수지층의 형성 및 패터닝 공정을 수행하여 희생 몰드층(108)을 먼저 형성한 후, 상기 희생몰드층(108)을 갖는 기판 상의 전면에 챔버 수지층을 형성한다. 이후, 상기 희생 몰드층(108)의 상부면이 노출되도록 상기 챔버 수지층을 CMP함으로써 상기 희생 몰드층(108)의 측벽을 덮는 챔버 플레이트(106)를 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 3, a sacrificial mold layer 108 is formed between the chamber plates 106. The sacrificial mold layer 108 may be formed of a positive photosensitive resin layer. That is, a mold resin layer (not shown) is formed on the substrate on which the chamber plate 106 is formed to cover the chamber plate 106. The mold resin layer may be formed of a photosensitive resin or a non-photosensitive resin that may be removed by a solvent in a subsequent process. When forming the said mold resin layer with photosensitive resin, it is preferable to form with positive photosensitive resin. Next, the sacrificial mold layer 108 filling the space between the chamber plates 106 is performed by performing chemical mechanical polishing (CMP) on the mold resin layer so that the upper surface of the chamber plate 106 is exposed. Form. As described above, in FIGS. 2 and 3, the chamber plate 106 is first formed and the sacrificial mold layer 108 is formed by a subsequent process, but the chamber plate 106 and the sacrificial mold layer 108 are formed. The process to make is not limited to this. For example, first, the sacrificial mold layer 108 may be formed on the substrate 100 to cover a region in which the flow path is to be formed, and then the chamber plate 106 may be formed on the sidewall of the sacrificial mold layer 108. . That is, the sacrificial mold layer 108 is first formed by forming and patterning the mold resin layer, and then the chamber resin layer is formed on the entire surface of the substrate having the sacrificial mold layer 108. Thereafter, the chamber resin layer 106 covering the sidewalls of the sacrificial mold layer 108 may be formed by CMPing the chamber resin layer so that the top surface of the sacrificial mold layer 108 is exposed.
도 4를 참조하면, 상기 챔버 플레이트(106) 및 상기 희생 몰드층(108) 상에 하부 수지층(110) 및 상부 수지층(112)을 차례로 형성한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 하부 수지층(110) 및 상기 상부 수지층(112)은 네가티브 감광성 수지층으로 형성한다. 이때, 상기 하부 수지층(110)은 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 형성하고, 상기 상부 수지층(112)은 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖도록 패터닝되는 네가티브 감광성 수지층으로 형성한다. 이러한 특성을 갖는 네가티브 감광성 수지층들은 다양한 조합을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 수지층(110)은 상기 상부 수지층(112)보다 높은 흡광계수를 갖는 네가티브 감광성 수지층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 네가티브 감광성 수지에 사용되는 광개시제(photoinitiator)의 함량을 달리하거나 첨가제로 사용되는 안료의 첨가 여부 및 함량등을 조절함으로써 포토리소그래피 공정에 의한 패터닝시의 측면 프로파일을 다르게 할 수 있을 것이다. 상기 하부 수지층(110) 및 상기 상부 수지층(112)의 전체 두께는 후속 공정에 의하여 형성될 노즐의 깊이를 고려하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 하부 수지층(110) 및 상기 상부 수지층(112) 각각의 두께는 상기 노즐의 테이퍼 부 및 직선 부의 깊이를 고려하여 각각 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, the lower resin layer 110 and the upper resin layer 112 are sequentially formed on the chamber plate 106 and the sacrificial mold layer 108. In embodiments of the present invention, the lower resin layer 110 and the upper resin layer 112 is formed of a negative photosensitive resin layer. In this case, the lower resin layer 110 is formed of a negative photosensitive resin layer patterned to have a tapered sidewall profile during patterning by the photolithography process, and the upper resin layer 112 is a straight line during patterning by the photolithography process. It is formed of a negative photosensitive resin layer patterned to have a sidewall profile in the form. Negative photosensitive resin layers having these characteristics can be formed through various combinations. For example, the lower resin layer 110 may be formed of a negative photosensitive resin layer having a higher extinction coefficient than the upper resin layer 112. In addition, by varying the content of the photoinitiator used in the negative photosensitive resin or by controlling the addition and content of the pigment used as an additive, the side profile during patterning by the photolithography process may be changed. The overall thickness of the lower resin layer 110 and the upper resin layer 112 is preferably formed in consideration of the depth of the nozzle to be formed by a subsequent process. In addition, the thickness of each of the lower resin layer 110 and the upper resin layer 112 is preferably formed in consideration of the depth of the tapered portion and the straight portion of the nozzle.
도 5를 참조하면, 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 상부 수지층(112) 및 상기 하부 수지층(110)을 패터닝한다. 즉, 노즐 패턴이 마련된 제2 포토마스크 (115)를 사용하여 상기 상부 수지층(112) 및 상기 하부 수지층(110)에 대한 노광을 수행한다. 이후, 알칼리계 용매와 같이 네가티브 감광성 수지를 용해할 수 있는 용매를 사용하여 상기 상부 수지층(112) 및 상기 하부 수지층(110) 중 노광되지 않은 부분을 제거한다. 그 결과, 상기 압력 생성요소들(102)과 대응하도록 상기 하부 수지층(110)을 관통하고 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 하부 노즐들 (116b)이 마련된 하부 노즐 플레이트(110′) 및 상기 하부 노즐들(116b)과 유체연통하도록 상기 상부 수지층(112)을 관통하고 직선 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상부 노즐들(116a)이 마련된 상부 노즐 플레이트(112′)가 동시에 형성된다. 전체적으로, 본 발명의 실시예들에 의한 노즐 플레이트(114)는 하부 노즐플레이트(110′) 및 상부 노즐 플레이트(112′)의 적층구조를 갖도록 형성된다. 또한, 테이퍼 형태를 갖는 하부 노즐들(116b) 및 직선 형태를 갖는 상부 노즐들(116a)로 이루어지는 노즐들(116)이 상기 압력생성요소들(102)과 대응되도록 상기 노즐 플레이트(114)를 관통한다. 이때, 상기 하부 노즐들(116b)이 갖는 테이퍼 각은 상술한 노광공정의 조건 예를 들어, 노광장비, 노광원의 파장, 노광시의 노광깊이 또는 노광량에 따라 조절될 수 있을 것이다. 상기 하부 노즐들(116b) 및 상기 상부 노즐들(116a)의 깊이는 각각 상기 하부 수지층(110) 및 상기 상부 수지층(112)의 두께에 의하여 결정된다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 상부 노즐들(116a)의 깊이를 재현성 있게 형성할 수 있다. 즉, 상기 노즐(114) 중 직선 부의 길이를 재현성 있게 형성할 수 있게 된다. 또한, 상기 하부 수지층(112)의 두께 조절을 통하여 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 갖는 상기 하부 노즐들(116b)의 길이를 재현성 있게 조절 함으로써 잉크 토출시의 유체 저항을 조절 할 수 있게 된다.Referring to FIG. 5, the upper resin layer 112 and the lower resin layer 110 are patterned by performing a photolithography process. That is, the upper resin layer 112 and the lower resin layer 110 are exposed using the second photomask 115 provided with the nozzle pattern. Thereafter, an unexposed portion of the upper resin layer 112 and the lower resin layer 110 is removed using a solvent capable of dissolving the negative photosensitive resin, such as an alkali solvent. As a result, the lower nozzle plate 110 'and the lower nozzle are provided with lower nozzles 116b that penetrate the lower resin layer 110 and have a tapered sidewall profile to correspond to the pressure generating elements 102. An upper nozzle plate 112 'is formed at the same time, through which the upper nozzles 116a are provided, which penetrate the upper resin layer 112 and have a straight sidewall profile so as to be in fluid communication with the fields 116b. In general, the nozzle plate 114 according to the embodiments of the present invention is formed to have a laminated structure of the lower nozzle plate 110 'and the upper nozzle plate 112'. In addition, the nozzles 116 including the lower nozzles 116b having a tapered shape and the upper nozzles 116a having a straight shape penetrate the nozzle plate 114 to correspond to the pressure generating elements 102. do. In this case, the taper angle of the lower nozzles 116b may be adjusted according to the above-described conditions of the exposure process, for example, the exposure equipment, the wavelength of the exposure source, the exposure depth during exposure or the exposure amount. The depths of the lower nozzles 116b and the upper nozzles 116a are determined by the thicknesses of the lower resin layer 110 and the upper resin layer 112, respectively. Therefore, according to embodiments of the present invention, the depths of the upper nozzles 116a may be reproducibly formed. That is, the length of the straight portion of the nozzle 114 can be formed reproducibly. In addition, by adjusting the thickness of the lower resin layer 112, the length of the lower nozzles 116b having a tapered sidewall profile can be adjusted reproducibly to control the fluid resistance during ink ejection.
도 6을 참조하면, 상기 노즐 플레이트(114)를 형성한 후에 상기 기판(100)의 중심부를 관통하는 잉크 공급로(118)를 형성한다. 상기 잉크 공급로(118)는 통상의 이방성 건식식각 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이후, 용매를 사용하여 상기 희생 몰드층(108) 용해하여 제거한다. 그 결과, 상기 희생 몰드층(108)이 제거된 공간에 잉크챔버(120) 및 리스트릭터(122)를 포함하는 유로가 형성된다.Referring to FIG. 6, after the nozzle plate 114 is formed, an ink supply path 118 penetrating the center of the substrate 100 is formed. The ink supply passage 118 may be formed through a conventional anisotropic dry etching process. Thereafter, the sacrificial mold layer 108 is dissolved and removed using a solvent. As a result, a flow path including the ink chamber 120 and the restrictor 122 is formed in the space where the sacrificial mold layer 108 is removed.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 직선 형태 및 테이퍼 형태의 측벽 프로파일을 동일 노즐 내에 재현성 있게 구현함으로써 인쇄시 잉크 액적의 직진성을 향상시키고, 고속인쇄를 구현할 수 있게 된다. As described above, according to the present invention, the linear and tapered sidewall profiles are reproducibly implemented in the same nozzle to improve the straightness of the ink droplets during printing and to implement high-speed printing.
또한, 충분한 깊이를 갖는 노즐을 형성하고 상기 노즐 중 직선부와 테이퍼 부의 길이를 재현성 있게 구현함으로써 노즐 내 잉크 표면의 메니스커스 진동을 개선할 수 있게 된다.In addition, it is possible to improve the meniscus vibration of the ink surface in the nozzle by forming a nozzle having a sufficient depth and reproducibly implement the length of the straight portion and the tapered portion of the nozzle.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.1 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an integrated inkjet head according to embodiments of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 설명 *Description of the main parts of the drawing
100 : 기판 106 : 챔버 플레이트100 substrate 106 chamber plate
108 : 희생 몰드층 110 : 하부 수지층108: sacrificial mold layer 110: lower resin layer
112 : 상부 수지층 110′: 하부 노즐 플레이트112: upper resin layer 110 ': lower nozzle plate
112′: 상부 노즐 플레이트 116 : 노즐112 ': upper nozzle plate 116: nozzle
116a : 상부 노즐 116b : 하부 노즐116a: upper nozzle 116b: lower nozzle
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |