KR20050121137A - 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기를 형성하는 것을 포함한다. 상기 기판 상에 잉크 유로가 형성될 영역을 덮는 희생 몰드층을 형성한다. 상기 희생 몰드층을 갖는 기판 상의 전면에, 상기 희생 몰드층을 덮도록 챔버 물질층을 형성한다. 상기 희생 몰드층의 상부면이 노출되도록 상기 챔버 물질층을 평탄화하여 챔버벽을 형성한다. 상기 희생 몰드층 및 상기 챔버벽 상에 상기 발열저항기 상부의 상기 희생 몰드층을 노출시키는 노즐을 갖는 노즐층을 형성한다.

Description

일체식 잉크젯 헤드의 제조방법{method of fabricating a monolithic ink jet head}

본 발명은 잉크젯 헤드에의 제조방법에 관한 것으로 특히, 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 관한 것이다.

잉크젯 기록장치(ink jet recording device)는 인쇄용 잉크의 미소한 액적을 기록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 화상으로 인쇄하는 장치이다. 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.

도 1은 일반적인 상향 토출식 열 잉크젯 헤드(top shooting type thermal ink jet head)를 나타내는 일부 평면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(1) 상에 복수개의 발열저항기들(3)이 배치된다. 상기 발열저항기들(3)을 갖는 기판(1) 상에 잉크 챔버(5) 및 잉크 채널(7)을 한정하는 챔버벽(chamber wall;9)이 배치된다. 상기 발열 저항기들(3) 사이의 상기 기판(1) 중심부에는 상기 기판(1)을 관통하는 잉크 공급로(11)가 배치된다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 챔버벽(9)의 상부면과 접하고, 상기 발열저항기들(3)의 각각에 대응되는 노즐을 갖는 노즐층이 더 배치 된다. 도시되지 않은 잉크 수납용기로 부터 제공된 잉크가 상기 잉크 공급로(11) 및 상기 잉크 채널(7)을 순차적으로 거쳐 상기 잉크 챔버(5)에 임시로 저장된다. 상기 잉크 챔버(5)에 저장된 잉크는 상기 발열저항기(3)에 의하여 순간적으로 가열되며 이때 발생한 압력에 의하여 액적의 형태로 상기 노즐을 통하여 토출된다.

잉크젯 헤드를 제조하는 공정은 상기 잉크젯 헤드를 구성하는 챔버벽 및 노즐층을 형성하는 방법에 따라 접착식과 일체식으로 구분될 수 있다. 상기 접착식에 의하면, 잉크토출을 위한 압력을 생성시키는 발열 저항기를 갖는 기판 상에 챔버벽을 형성하는 공정과, 잉크가 토출되는 노즐을 갖는 노즐층을 형성하는 공정이 별도로 진행된다. 이후, 상기 챔버벽 상에 상기 노즐층을 접착시킴으로써 잉크젯 헤드를 제조한다. 그러나, 상기 접착방식에 의하면 상기 챔버벽 상에 상기 노즐층을 부착시키는 과정에서 상기 발열저항기와 상기 노즐간에 오정렬(misalignment)가 발생하기 쉽다. 또한, 상기 챔버벽과 상기 노즐층을 별도의 공정을 통하여 제조하게 됨으로써 공정이 복잡해지는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 일체식의 잉크젯 헤드 제조방법이 수행되고 있다.

도 2 내지 도 4는 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 1의 Ⅰ~Ⅰ′선에 따라 취해진 단면도들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 발열 저항기들(102)을 형성한다. 상기 발열저항기들(102)을 갖는 기판(100) 상에 챔버벽(104)을 형성한다. 상기 챔버벽(104) 사이를 채우는 희생 몰드층(106)을 형성한다. 상기 희생 몰드층(106)은 포지티브 감광성 수지를 사용한 스핀코팅법에 의하여 형성될 수 있다. 일반적으 로, 스핀 코팅법등의 방법을 사용하여 기판 상에 소정두께의 물질막을 형성하는 경우에, 막의 국부적인 두께는 기판 상에 기 형성된 패턴의 형상에 의하여 영향을 받는다. 패턴의 폭과 깊이의 비인 종횡비 (aspect ratio)가 큰 패턴 상에서의 막의 두께는 종횡비가 작은 패턴 상에서의 막의 두께보다 두껍게 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 열 잉크젯 헤드는 상기 챔버벽(9)이 상기 발열저항기들 (3)을 둘러싸도록 배치된다. 상기 챔버벽(9)에 의하여 한정되는 상기 잉크 챔버(5) 및 잉크채널(7)(이하 챔버영역이라 한다.;C)은 상기 기판(1)의 중심부 보다 큰 종횡비를 갖게 된다. 따라서, 종래와 같이 상기 챔버벽(104)을 먼저 형성 하고, 희생 몰드층(106)을 형성하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 챔버영역 (C)에서의 상기 희생 몰드층(106)의 두께(T1)는 상기 기판(100)의 중심부에서의 두께(T2) 보다 두껍게 형성된다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 챔버벽(104) 및 상기 희생 몰드층(106) 상에 상기 발열저항기들(102)의 각각과 대응되는 노즐들(108′)을 갖는 노즐층(108)이 형성 된다. 상기 노즐층(108)은 수지층의 도포 및 패터닝공정을 통하여 형성될 수 있다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 기판(100)의 중심부를 관통하는 잉크 공급로(110)를 형성하고, 상기 희생 몰드층(106)을 용해하여 제거한다. 그 결과, 상기 희생 몰드층(106)이 제거된 영역에 잉크 챔버(112) 및 잉크 채널(114)이 최종적으로 형성된다. 그러나, 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 의하면, 도 2에서 설명된 바와 같이 상기 잉크 챔버(112) 및 상기 잉크 채널(114)의 높이를 결정하는 상기 희생 몰드층(106)은 상기 챔버영역(C)에서 상기 기판 중심부 보다 상대적으로 두꺼운 두께를 갖게 된다. 또한, 상기 챔버영역(C)에서 상기 희생 몰드층 (106)이 갖는 두께는 제어되기가 곤란하며, 각 챔버영역(C)에서 상기 희생 몰드층 (106)의 두께가 달라질 수 있다. 그 결과, 후속 공정에 의하여 최종적으로 형성되는 상기 잉크 챔버(112) 및 상기 잉크 채널(114)이 갖는 높이가 각 셀마다 달라질 수 있게 되어 잉크젯 헤드의 잉크 토출 특성이 불안정하게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서, 균일한 치수를 갖는 잉크 유로를 단순한 공정에 의하여 재현성 있게 형성함으로써 잉크젯 헤드의 잉크 토출 특성을 향상시키는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 평탄화 공정을 채택하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기를 형성하는 것을 포함한다. 상기 기판 상에 잉크 유로가 형성될 영역을 덮는 희생 몰드층을 형성한다. 상기 희생 몰드층을 갖는 기판 상의 전면에, 상기 희생 몰드층을 덮도록 챔버 물질층을 형성한다. 상기 희생 몰드층의 상부면이 노출되도록 상기 챔버 물질층을 평탄화하여 챔버벽을 형성한다. 상기 희생 몰드층 및 상기 챔버벽 상에 상기 발열저항기 상부의 상기 희생 몰드층을 노출시키는 노즐을 갖는 노즐층을 형성한다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 희생 몰드층을 형성하는 것은, 상기 발열저항기를 갖는 기판 상의 전면에 몰드 수지층을 형성하고, 상기 몰드 수지층을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 상기 몰드 수지층은 광경화성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 챔버 물질층을 평탄화하는 것은 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing;CMP)공정을 적용하여 수행될 수 있다.

더나아가, 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 기판의 중심부를 관통하는 잉크 공급로를 형성하고, 상기 희생 몰드층을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.

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.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 1의 Ⅰ~Ⅰ′선을 따라 취해진 단면도들이다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 먼저 기판(300)을 준비한다. 상기 기판(300)은 반도체 소자의 제조공정에 사용되는 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 상기 기판(300) 상에 발열 저항기들(302)을 형성한다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 발열 저항기들(302)은 탄탈륨과 같은 고융점 금속 또는 탄탈륨-알루미늄 합금과 같이 상기 고융점 금속을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 그 밖에 상기 기판(300) 상에는 상기 발열 저항기들(302)에 전기적 신호를 공급하기 위한 금속배선, 외부 회로와 상기 발열 저항기들(302)을 전기적으로 연결하기 위한 도전성 패드, 상기 기판(300) 상의 최하층에 형성되는 실리콘 산화막 열장벽층 및 상기 구조물들을 보호하기 위한 패시베이션층이 더 형성될 수 있다. 상기 발열 저항기들(302)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.

다음으로, 상기 발열저항기들(302)을 갖는 기판 상의 전면에 몰드 수지층(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 몰드 수지층은 용매를 사용하여 제거할 수 있는 광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 형성될 수 있다. 바람직한 일실시예에 의하면 상기 몰드 수지층은 포지티브 감광성 수지로 형성될 수 있다. 상기 몰드 수지층을 패터닝하여 잉크 유로가 형성될 영역을 덮는 희생 몰드층(304)을 형성한다. 상기 몰드 수지층은 포토리소그래피 공정 또는 이방성식각 공정에 의하여 패터닝 될 수 있다. 예를 들어, 상기 몰드 수지층이 포지티브 감광성 수지로 형성된 경우에, 상기 몰드 수지층은 노광 및 현상공정을 통하여 패터닝 될 수 있다. 또한, 상기 몰드 수지층이 열경화성수지로 형성되는 경우에, 상기 몰드 수지층은 상기 몰드 수지층 상에 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 사용한 이방성식각을 수행함으로써 패터닝될 수 있다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 희생 몰드층(304)을 갖는 기판(300) 상에 챔버 물질층(306)을 형성한다. 상기 챔버 물질층(306)은 광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 챔버 물질층(306)은 네가티브 감광성을 갖는 에폭시계, 폴리이미드계 또는 폴리아크릴레이트계 수지로 형성될 수 있다. 상기 챔버 물질층(306)은 상기 희생 몰드층(304)을 덮도록 형성되되, 상기 희생 몰드층(304)이 형성되지 않은 영역의 기판(300) 상에서 상기 희생 몰드층(304) 보다 큰 두께를 갖도록 형성된다.

도 1 및 도 7을 참조하면, 상기 희생 몰드층(304)의 상부면이 노출되도록 상기 챔버 물질층(306)을 평탄화시킨다. 상기 챔버 물질층(306)에 대한 평탄화는 화학기계적 연마공정을 통하여 수행될 수 있다. 그 결과, 상기 희생 몰드층(304)의 양 측부에 상기 희생 몰드층(304)과 동일레벨의 상부면을 갖는 챔버벽(306′)이 형성된다. 이 과정에서, 상기 희생 몰드층(304)의 상부가 소정부분 연마될 수 도 있다. 상기 평탄화 공정을 거친 상기 희생 몰드층(304)의 두께는 후속 공정에 의하여 최종적으로 형성되는 잉크 챔버 및 잉크 채널의 높이를 결정하게 된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 희생 몰드층(304)을 먼저 형성한 후 화학기계적 연마공정을 통하여 상기 희생 몰드층(304)의 양 측부에 챔버벽(306′)을 형성한다. 따라서, 챔버 영역(C) 및 상기 기판(300)의 중심부 상에서 상기 희생 몰드층(304)은 균일한 두께와 평탄한 상부면을 갖게 된다.

도 1 및 도 8을 참조하면, 상기 희생 몰드층(304) 및 상기 챔버벽(306′) 상에 노즐 물질층(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 노즐 물질층은 광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 노즐 물질층은 상기 챔버 물질층과 동일한 수지를 사용하여 형성될 수 있다. 이후, 상기 노즐 물질층을 패터닝하여 상기 발열저항기들(302) 상부의 상기 희생 몰드층(304)을 노출시키는 노즐들(308′)을 갖는 노즐층(308)을 형성한다. 상기 노즐 물질층을 패터닝하는 것은 포토리소그래피 공정 또는 이방성식각 공정을 통하여 수행될 수 있다.

도 1 및 도 9를 참조하면, 상기 기판(300)의 중심부를 관통하는 잉크 공급로(310)을 형성한다. 상기 잉크 공급로(310)는 상기 기판(300)의 배면에 그 중심부를 라인형태로 노출시키는 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 기판(300)을 식각함으로써 형성될 수 있다. 상기 기판(300)에 대한 식각은 플라즈마 가스를 이용한 건식 식각 또는 식각액을 사용한 습식식각이 적용될 수 있다. 이후, 적절한 용매를 사용하여 상기 희생 몰드층(도 8의 304)을 용해하여 제거한다. 그 결과, 상기 희생 몰드층(304)이 제거된 영역에 잉크 챔버(312) 및 잉크 채널(314)이 최종적으로 형성된다. 상기 잉크 챔버(312) 및 상기 잉크 채널(314)은 상기 잉크 공급로(310)과 함께 잉크 유로를 구성한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 희생 몰드층(304)은 상기 챔버영역(C) 및 상기 기판(300)의 중심부 상에서 단차없이 평탄한 상부면을 갖는다. 그 결과, 상기 희생 몰드층(304)에 의하여 한정되는 상기 잉크 챔버(312) 및 상기 잉크 채널(314)은 균일한 높이를 갖게된다. 또한, 상기 화학기계적 연마공정을 수행하는 과정에서 상기 희생 몰드층(304)의 두께가 재현성 있게 조절될 수 있으므로, 상기 잉크 챔버(312) 및 상기 잉크 채널(314)의 높이 또한 재현성 있게 조절될 수 있다.

<실험예들>

이하에서는 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법과 본 발명의 실시예들에 의한 잉크젯 헤드의 제조방법을 비교하기 위한 실험결과를 설명하기로 한다.

도 10은 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 의한 희생 몰드층의 상부면 모폴로지를 보여주는 전자현미경 사진이다. 도 10은 도 2에서 설명된 단계를 거친 결과물을 보여주는 사진이다. 즉, 기판(10) 상에 챔버벽(14)을 먼저 형성하고, 상기 챔버벽(14) 사이를 채우는 희생 몰드층(16)을 스핀코팅법에 의하여 형성하였다.

도 10을 참조하면, 상기 희생 몰드층(16)은 챔버영역(C)에서 상기 기판(10)의 중심부보다 두꺼운 두께로 형성되었다. 또한, 각 챔버영역(C)에서 상기 희생 몰드층(16)은 불균일한 두께를 갖도록 형성되었다. 이러한 결과는, 상기 챔버벽 (14)을 먼저 형성하고, 이후에 상기 희생 몰드층(16)을 형성함으로써 상기 기판 (10)상에 기 형성된 상기 챔버벽(14)에 의하여 상기 희생 몰드층(16)의 도포 특성이 상기 기판의 중심부와 상기 챔버영역(C)에서 서로 다르게 나타났기 때문이다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 의한 희생 몰드층의 상부면 모폴로지를 보여주는 전자현미경 사진이다. 도 11은 도 7에서 설명된 단계를 거친 결과물을 보여주는 사진이다. 즉, 기판(20) 상에 희생 몰드층(26)을 먼저 형성하였다. 이후, 상기 희생 몰드층(26)을 갖는 기판(20) 상에 챔버 수지층을 스핀코팅법에 의하여 형성하고, 상기 희생 몰드층(26)이 노출되도록 상기 챔버 수지층을 화학기계적 연마하여 챔버벽(24)을 형성하였다.

도 11을 참조하면, 도 10의 결과와는 달리 상기 희생 몰드층(26)은 전 영역에서 평탄한 상부면 모폴로지를 나타내었다. 또한, 화학기계적 연마공정을 거친 상기 희생 몰드층(26)은 각 챔버영역(C)에서 균일한 두께를 갖도록 형성되었다. 이러한 결과는, 본 발명의 실시예에 의하여 잉크젯 헤드를 제조하는 경우, 평탄한 상부면 모폴로지를 갖는 희생 몰드층을 형성할 수 있게 됨으로써, 상기 희생 몰드층에 의하여 결정되는 잉크 챔버 및 잉크 채널의 높이가 균일하고 재현성있게 형성될 수 있음을 보여준다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서, 단순한 공정을 통하여 균일한 치수의 잉크 유로를 재현성 있게 형성함으로써 잉크젯 헤드의 잉크 토출 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 상향 토출식 열 잉크젯 헤드를 나타내는 일부 평면도이다.

도 2 내지 도 4는 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 1의 Ⅰ~Ⅰ′선에 따라 취해진 단면도들이다.

도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법을 설명하기 위하여 도 1의 Ⅰ~Ⅰ′선을 따라 취해진 단면도들이다.

도 10은 종래 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 의한 희생 몰드층의 상부면 모폴로지를 보여주는 전자현미경 사진이다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법에 의한 희생 몰드층의 상부면 모폴로지를 보여주는 전자현미경 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명*

300 : 기판 302 : 발열저항기

304 : 희생 몰드층 306′: 챔버벽

308 : 노즐층 308′: 노즐

Claims (5)

1. 기판 상에 잉크 토출을 위한 압력을 생성하는 발열 저항기를 형성하고,

   상기 기판 상에 잉크 유로가 형성될 영역을 덮는 희생 몰드층을 형성하고,

   상기 희생 몰드층을 갖는 기판 상의 전면에, 상기 희생 몰드층을 덮도록 챔버 물질층을 형성하고,

   상기 희생 몰드층이 노출되도록 상기 챔버 물질층을 평탄화하여 챔버벽을 형성하고,

   상기 희생 몰드층 및 상기 챔버벽 상에 상기 발열저항기 상부의 상기 희생 몰드층을 노출시키는 노즐을 갖는 노즐층을 형성하는 것을 포함하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 희생 몰드층을 형성하는 것은,

   상기 발열 저항기를 갖는 기판 상의 전면에 몰드 수지층을 형성하고,

   상기 몰드 수지층을 패터닝하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 몰드 수지층은 광경화성 수지 또는 열경화성 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 챔버 물질층을 평탄화하는 것은 화학기계적 연마공정을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 노즐층을 형성한 후에,

   상기 기판의 중심부를 관통하는 잉크 공급로를 형성하고,

   상기 희생 몰드층을 제거하는 것을 더 포함하는 일체식 잉크젯 헤드의 제조방법.