KR20070033574A - 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법 - Google Patents

모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20070033574A
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박병하
민재식
김경일
하용웅
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 기판; 상기 기판 상에 절연층, 히터, 전극, 보호층이 적층되며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및 상기 보호층 상부에 위치하여 상기 기판에 플러그되는 은-페이스트 열전도층;을 구비하여, 열전도도가 우수한 은을 이용한 열전도층을 형성하여 히터에서 발열되어 소모되는 잉여열을 손쉽게 제거할 수 있으며, 노즐의 형성을 위하여 사용되는 도금공정을 배제하여 노즐 형성공정을 단순화하고, 형성되는 노즐 및 잉크유로의 일정한 재현성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법{Monolithic ink-jet print head and method of manufacturing thereof}
도 1은 종래 기술에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 의해 제조된 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면 사진이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
100 : 프린트 헤드
200 : 베이스플레이트
210 : 제 1기판
230 : 산화막
240 : 제 2기판
300 : 노즐플레이트
310 : 절연층
320 : 히터
330 : 전극
340 : 보호층
350 : 열전도층
360 : 노즐층
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 제조공정에 의해 실리콘 기판 상에 일체로 형성되는 열 구동방식의 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다.
이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메커니즘에 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 프린트 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.
이러한, 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메커니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 저항발열체로 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.
한편, 이러한 열구동 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향에 따라 다시 탑-슈팅(top-shooting) 방식, 사이드-슈팅(side-shooting) 방식 및 백-슈팅(back-shooting) 방식으로 분류된다. 탑-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크액적의 토출 방향이 동일한 방식이고, 사이드-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 직각을 이루는 방식이고, 백-슈팅 방식은 버블의 성장 방향과 잉크 액적의 토출 방향이 서로 반대인 잉크 토출 방식을 말한다.
이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 일반적으로 다음과 같은 요건들을 만족하여야 한다. 첫째, 가능한 한 그 제조가 간단하고 제조비용이 저렴하며, 대량 생산이 가능하여야 한다. 둘째, 고화질의 화상을 얻기 위해서는 인접한 노즐 사이의 간섭(cross talk)은 억제하면서도 인접한 노즐 사이의 간격은 가능한 한 좁아야 한다. 즉, DPI(Dots Per Inch)를 높이기 위해서는 다수의 노즐을 고밀도로 배치할 수 있어야 한다. 셋째, 고속 인쇄를 위해서는, 잉크 챔버로부터 잉크가 토출된 후 잉크 챔버에 잉크가 리필(refill)되는 주기가 가능한 한 짧아야 한다. 즉, 가열된 잉크와 히터의 냉각이 빨리 이루어져 구동 주파수를 높일 수 있어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드(10)는, 베이스플레이트(20)와, 베이스플레이트(20)의 상면에 형성되는 노즐플레이트(30)로 이루어진다.
상기 베이스플레이트(20)는 기본적으로 SOI 웨이퍼(Silicon-On-Insulator wafer, 이하 'SOI 웨이퍼'라 함)의 적층 구조를 이용하여 구성된다. SOI 웨이퍼는 일반적으로 제 1기판(21)과, 제 1기판(21) 상에 형성된 산화막(23)과, 산화막(23) 상에 형성되는 제 2기판(24)의 적층 구조를 가지고 있다.
이러한 베이스플레이트(20)의 제 1기판(21) 상에는 도시되지 않은 잉크저장부로부터 잉크가 공급되는 잉크 공급 매니폴드(22)가 형성된다. 제 2기판(24) 상에는 잉크 공급 매니폴드(22)에서 공급되는 잉크의 유로를 형성하는 잉크 챔버(25)가 형성된다.
상기 노즐플레이트(30)는 베이스플레이트(20)의 제 2기판(24) 상에 형성되는 것으로, 절연층(31), 히터(32), 전극(33), 보호층(34), 시드층(35) 및 노즐(39)을 형성하는 노즐층(38)이 순차적으로 적층되는 구조를 가지고 있다.
여기서 절연층(31)은 제 2기판(24)과 히터(32) 사이의 절연을 위한 것이다. 절연층(31)의 상부에는 잉크 챔버(25)내에 버블을 형성하기 위항 히터(32)가 형성된다. 히터(32)의 상면 일측에는 히터(32)에 전류를 인가하기 위한 전극(33)이 형성된다. 히터(32)와 전극(33) 위에는 이들을 보호하기 위한 보호층(34)이 형성된다. 보호층(34)에 상면에는 노즐 형성을 위한 시드층(35)이 형성된다. 시드층(35) 의 상부에는 니켈(Ni) 도금에 의한 노즐층(38)이 형성된다.
여기서 노즐층(38)의 형성을 간단히 설명하면, 먼저 전기 도금을 위한 시드층(35)의 형성과 동시에 노즐이 형성될 공간에 희생층(36)을 형성한다. 이후 시드층(35)의 전표면에 상부에 포토레지스트를 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 노즐(39)의 형상으로 패터닝하여 도금틀(37)을 형성한다.
이후, 도금틀(37)이 형성된 시드층(35)의 상면에 전기도금에 의해 니켈(Ni) 성분의 노즐층(38)을 형성하고, 화학기계적 연마(CMP; Chemical mechanical polishing)에 의해 노즐층(38)의 표면을 평탄화한다. 이러한 노즐층(38)은 히터에서 발생되는 잉여열을 발산하는 열발산층을 역할도 동시에 수행한다.
이어서, 도금틀(37)을 제거하고, 도금틀(37)의 제거에 의해 노출된 부위의 시드층(35)과 희생층(36)을 제거함으로써 잉크젯 프린트헤드(10)가 완성된다.
그러나 상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 잉크젯 프린트헤드(10)는 노즐(39)을 형성하기 위한 니켈(Ni)도금공정에 의해 양산공정이 복잡하여 공정효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 도금공정에 의해 형성되는 노즐(39)의 형상이 공정의 진행상 재현성이 부족하여 노즐(39) 및 잉크 유로의 형상이 균일한 품질의 결과물을 얻을 수 없어 제품의 균일성을 하락시키는 문제점이 있다.
또한, 도금공정에 사용되는 니켈(Ni)은 잉크에 대한 화학적 내구성이 낮아 잉크젯 프린트헤드(10)의 내구성을 떨어뜨리며, 열전도도가 비교적 낮아 히터(32)에서 발생되는 잉여열을 효과적으로 방출시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열전도도가 우수한 은을 이용한 열전도층을 형성하여 히터에서 발열되어 소모되는 잉여열을 손쉽게 제거할 수 있는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 노즐의 형성을 위하여 사용되는 도금공정을 배제하여 노즐 형성공정을 단순화하고, 형성되는 노즐 및 잉크유로의 일정한 재현성을 향상시킬 수 있는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 기판; 상기 기판 상에 절연층, 히터, 전극, 보호층이 적층되며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및 상기 보호층 상부에 위치하여 상기 기판에 플러그되는 열전도층;을 구비한다.
또한, 상기 열전도층은 감광성 은-페이스트에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법은, 기판의 상면에 절연층을 형성하는 절연층형성단계; 상기 절연층 상에 히터를 형성하는 히터형성단계; 상기 히터의 상측에 전극을 형성하는 전극형성단계; 상기 히터 및 상기 전극의 상측에 보호층을 형성하는 보호층형성단계; 상기 기판에 플러그되는 열전도층을 형성하는 열전도층형성단계; 상기 열전도층 상측에 노즐을 형성하는 노즐층형성단계; 상기 기판상에 잉크 공급 매니폴드를 형성하는 매니폴드형성단계; 상기 기판상기 상기 잉크 공급 매니폴드와 상기 노즐을 연결하는 잉크 챔버를 형성하는 잉크챔버형성단계;를 포함한다.
또한, 상기 열전도층 형성단계는, 감광성 은-페이스트를 도포하고, 도포된 감광성 은-페이스트를 포토리소그라피에 의해 패터닝하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 감광성 은-페이스트는 스핀-코팅법에 의해 도포되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
또한, 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있으며, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드를 나타낸 단면도이다.
여기서, 도면에는 잉크젯 프린트헤드의 단위 구조만 도시되어 있지만, 칩 상태로 제조되는 잉크젯 프린트헤드에서는 다수의 잉크 챔버와 다수의 노즐이 일렬 또는 2열로 배열되며, 해상도를 더욱 높이기 위해 3열 이상으로 배열될 수도 있다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드(100)는, 베이스플레이트(200)와, 베이스플레이트(200)의 상면에 형성되는 노즐플레이트(300)로 이루어진다.
상기 베이스플레이트(200)는 기본적으로 SOI 웨이퍼(Silicon-On-Insulator wafer, 이하 'SOI 웨이퍼'라 함)의 적층 구조를 이용하여 구성된다. SOI 웨이퍼는 일반적으로 제 1기판(210)과, 제 1기판(210) 상에 형성된 산화막(230)과, 산화막(230) 상에 형성되는 제 2기판(240)의 적층 구조를 가지고 있다.
여기에서, 제 1기판(210)은 실리콘 단결정으로 이루어지고 대략 수백 ㎛ 정도의 두께를 가지고 있으며, 산화막(230)은 제 1기판(210)의 표면을 산화시킴으로써 형성될 수 있으며, 그 두께는 대략 1㎛ 정도이다. 제 2기판(240)도 통상 실리콘 단결정으로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 대략 수십 ㎛정도의 두께를 가지고 있다.
이러한 베이스플레이트(200)의 제 1기판(210) 상에는 도시되지 않은 잉크저장부로부터 잉크가 공급되는 잉크 공급 매니폴드(220)가 형성된다. 제 2기판(240) 상에는 잉크 공급 매니폴드(220)에서 공급되는 잉크의 유로를 형성하는 잉크 챔버 (250)가 형성된다. 산화막(230)에는 잉크 매니폴드(220)와 잉크 챔버(250)의 경계인 잉크 채널(232)이 형성된다.
상기 노즐플레이트(300)는 베이스플레이트(200)의 제 2기판(240) 상에 형성되는 것으로, 절연층(310), 히터(320), 전극(330), 보호층(340) 및 노즐(362)을 형성하는 노즐층(360)이 순차적으로 적층되는 구조를 가지고 있다.
절연층(310)은 제 2기판(240)과 히터(320) 사이의 절연을 위한 것이다. 이러한 절연층(310)은 제 2기판(240)의 표면을 고온에서 산화시켜서 형성된 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)을 증착함으로 형성할 수 있다.
절연층(310)의 상부에는 잉크 챔버(250)내에 버블을 형성하기 위항 히터(320)가 형성된다. 히터(320)는 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨-알루미늄 합금(TaAl) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide)로 이루어진 군중에 선택되지는 물질을 증착 후 패터닝하여 형성할 수 있다.
히터(320)의 상면 일측에는 히터(320)에 전류를 인가하기 위한 전극(330)이 마련된다. 전극(330)은 하나의 금속층으로 이루어질 수도 있으나, 2종 이상의 금속층이 적층되어 이루어질 수도 있으며, 도전성이 양호한 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨 질화물(TaN)로 이루어진 군중에 선택되지는 물질을 증착 후 패터닝하여 형성할 수 있다.
히터(320)와 전극(330) 위에는 이들을 보호하기 위한 보호층(340)이 형성된다. 보호층(340)은 히터(320)와 전극(330)이 산화되거나 잉크와 직접 접촉되는 것 을 방지하기 위한 것으로, 실리콘 질화물(SiN) 또는 실리콘 산화물(SiO2)을 증착 후 패터닝하여 형성할 수 있다.
보호층(340)의 상면에는 히터(320)에서 발생되는 잉여열을 제 2기판(240)으로 전도시키는 열전도층(350)이 형성된다. 이러한 열전도층(350)은 베이스플레이트(200)의 제 2기판(240)에 플러그되는 감광성 은-페이스트(silver paste)를 도포하고, 포토리소그라피에 의해 패터닝함으로써 형성할 수 있다.
열전도층(350)의 상면에는 잉크 챔버(250)에 통공되어 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(362)이 형성된 노즐층(360)이 형성된다. 이러한 노즐층(360)은 감광성 폴리머(photosensitive polymer), 예컨대 폴리이미드(polyimide)를 열전도층 상에 소정 두께로 도포한 뒤, 이를 패터닝함으로써 형성할 수 있다.
이하 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법을 설명한다. 이하에서 언급되는 각각의 요소들은 상술한 설명과 도 2를 참조하여 이해하여야 한다.
도 3a 내지 도 3p는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트 헤드의 제조방법에 의해 제조된 잉크젯 프린트헤드의 수직 단면 사진이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 본 실시예에서 베이스플레이트(200)로는 SOI 웨이퍼를 300 ~ 500㎛ 정도의 두께로 가공하여 사용한다. SOI 웨이퍼는 반도체 소자의 제조에 널리 사용되는 것으로서, 대량생산에 효과적이다. 이러한, SOI 웨이퍼는 상 술한 바와 같이 제 1기판(210), 산화막(230), 제 2기판(240)이 순차적으로 적층되는 적층 구조를 갖고 있다.
한편, 도시된 것은 SOI 웨이퍼의 극히 일부를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드는 하나의 SOI 웨이퍼에서 수십 내지 수백개의 칩 상태로 제조될 수 있다.
이후, 도 3b 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 제 2기판(240)에 잉크 챔버(250)의 측벽(244)을 형성하기 위한 트렌치(242)를 형성한다. 트렌치(242)는 제 2기판(240)의 상면에 포토레지스트(PR1)를 도포한 후 이를 패터닝하여 제 1식각마스크(M1)를 형성하고, 제 1식각마스크(M1)에 의해 노출된 제 2기판(240)을 식각함으로써 형성된다.
여기서, 제 2기판(240)의 식각은 반응성이온식각법(RIE; Reactive Ion Etching)과 같은 건식 식각법에 의해 이루어질 수 있다. 제 2기판(240)에 형성되는 트렌치(242)의 깊이는 제 2기판(240)의 하부에 형성된 산화막(230)까지 연장되도록 형성된다. 트렌치(242)를 형성한 후에는 통상의 포토레지스트 제거공정인 애슁 및 스트립에 의해 제 1식각마스크(M1)를 제거한다.
이러한, 트렌치(242)는 잉크 챔버(250)의 평면 형상 설계에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라 원하는 크기와 형상, 예컨대 직사각형의 평면 형상을 가진 잉크 챔버(250)를 정확하게 얻을 수 있다.
이후, 도 3d에 도시한 바와 같이, 트렌치(242)가 형성된 제 2기판(240)의 표 면에 절연층(310)을 증착하여 형성한다. 이에 따라 제 2기판(240)에 형성된 트렌치(242) 내부에는 절연층(310)과 동일한 물질이 채워지면서 잉크 챔버(250)의 측벽(244)이 형성된다. 그리고 제 2기판(240)에 형성된 절연층(310)은 화학기계적연마(chemical mechanical polishing, CMP)를 실시하여 일정한 두께로 가공한다.
여기서, 절연층(310)으로는 제 2기판(240)을 형성하는 물질과는 다른 물질이 사용된다. 이는 제 2기판(240)을 식각하여 잉크 챔버(250)를 형성할 때, 상기 측벽(244)이 식각저지벽(etch stop)으로서의 기능을 하도록 하기 위함이다. 따라서 제 2기판(240)을 형성하는 실리콘 단결정과 다른 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물과 같은 절연물질을 사용할 수 있다.
그리고 도 3e 내지 3f에 도시한 바와 같이, 절연층(310)에 히터(320)를 형성한다. 히터(320)는 먼저, 절연층(310) 위에 히터 물질을 증착시켜 히터층(320')을 형성한다. 이후, 히터층(320')의 상면에 포토레지스트(PR2)를 도포한 후 이를 패터닝하여 제 2식각마스크(M2)를 형성하고 제 2식각마스크(M2)에 의해 노출된 히터층(320')을 식각함으로써 형성된다. 히터(320)를 형성한 후에는 통상의 포토레지스트 제거공정인 애슁 및 스트립에 의해 제 2식각마스크(M2)를 제거한다.
여기서, 히터층(320')을 형성하는 히터물질은 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 탄탈륨-알루미늄(titanium aluminum), 탄탈륨 질화물(tantalum nitride), 티타늄 질화물(titanium nitride) 또는 텅스텐 실리사이드(tungsten silicide) 등의 이루어진 저항 발열체 군에서 선택되어 증착된다.
구체적으로, 폴리 실리콘은 불순물로서 예컨대 인(P)의 소스가스와 함께 저압 화학기상증착법(LPCVD; Low pressure chemical vapor deposition)에 의해 대략 0.7~ 1㎛ 두께로 증착될 수 있다. 그리고 탄탈륨-알루미늄 합금, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물 또는 텅스텐 실리사이드는 스퍼터링(sputtering)이나 화학기상증착법(CVD)에 의해 대략 0.1 ~ 0.3㎛ 두께로 증착될 수 있다.
이후, 도 3g 내지 3h에 도시된 바와 같이, 히터(320)의 상측에 전극(330)을 형성한다. 먼저 히터(320)의 위에 전극층(330')을 증착시켜 형성한다. 이후, 전극층(330')의 표면에 포토레지스트(PR3)를 도포한 후 이를 패터닝하여 제 3식각마스크(M3)를 형성하고, 제 3식각마스크(M3)에 의해 노출된 전극층(330')을 식각함으로써 형성된다. 전극(330)을 형성한 후에는 통상의 포토레지스트 제거공정인 애슁 및 스트립에 의해 제 3식각마스크(M3)를 제거한다.
여기서, 전극층(330')은 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨 질화물(TaN)과 같은 도전성이 양호한 금속 물질을 스퍼터링(sputtering)에 의해 대략 5,000Å ~ 2㎛ 정도의 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다.
이후, 도 3i 내지 도 3j에 도시한 바와 같이, 제 2기판(240) 위에 형성된 히터(320) 및 전극(330)의 상면에 보호층(340)을 형성한다. 보호층(340)은 히터(320) 및 전극(330)을 보호하기 위한 것으로, PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 실리콘 질화막(SiN)을 대략 1 ~ 3㎛ 두께 로 증착하거나 폴리실리콘을 증착함으로써 형성한다.
한편 보호층(340)을 형성한 후에는 보호층(340)의 표면에 포토레지스트(PR4)를 도포한 후 이를 패터닝하여 제 4식각마스크(M4)를 형성하고, 제 4식각마스크(M4)에 의해 노출된 보호층(340)을 식각하고, 보호층(340)을 식각한 이후에는 보호층(340)이 식각되면서 제 4식각마스크(M4)에 노출된 절연층(310)을 식각하여 컨택홀(342)과, 노즐홀(344)을 형성한다.
여기서, 컨택홀(342)은 이후 설명될 열전도층(350)이 제 2기판(240)에 플러그 되도록 형성된 것이며, 노즐홀(344)은 잉크가 분출되는 노즐(362)이 형성되기 위해 형성된 것이다. 컨택홀(342)과 노즐홀(344)이 형성된 후에는 통상의 포토레지스트 제거공정인 애슁 및 스트립에 의해 제 4식각마스크(M4)를 제거한다.
이후, 도 3k 내지 도 3l에 도시된 바와 같이 보호층(340) 및 컨택홀(342)에 상부에 열전도층(350)을 도포하여 형성한다. 여기서 열전도층(350)을 형성하는 물질은 열전도성이 우수한 감광성 은-페이스트(비저항 2.25uΩcm)로 형성된다. 이때 도포되는 감광성 은-페이스트는 컨택홀(342)에 채워지면서 제 2기판(240)에 플러그 된다. 이후, 형성된 열전도층(350)을 포토리소그라피에 의해 패터닝하고, 경화되지 않은 부위를 용매를 사용하여 용해시켜 제거하여 노즐홀(344)을 노출시킨다. 이러한, 감광성 은-페이스트는 스핀 코팅 방법에 의해 도포하게 된다.
이후, 도 3m에 도시된 바와 같이 열전도층(350) 및 노즐홀(344)에 노즐(362)이 형성될 노즐층(360)을 형성한다. 노즐층(360)은 감광성 폴리머(photosensitive polymer), 예컨대 폴리이미드(polyimide)를 소정 두께로 도포하여 형성된다.
이후, 도포된 노즐층(360)을 포토리소그라피에 의해 패터닝함으로써 노즐(362)을 형성한다. 이때 노즐층(360)의 패터닝은 포토레지스트의 상면으로부터 소정 간격 이격되어 설치된 포토마스크를 통해 포토레지스트를 노광시키는 근접 노광(proximity exposure)에 의해 수행될 수 있다.
이 경우, 포토마스크를 통과한 광은 회절되고, 이에 따라 포토레지스트의 노광 부위와 노광되지 않은 부위의 경계면이 경사지게 형성된다. 따라서 상면으로부터 아래쪽으로 갈수록 그 단면적이 점차 넓어지는 테이퍼 형태의 노즐(362)이 패터닝된다. 이후, 감광성 폴리머의 경화되지 않은 부위를 용매를 사용하여 용해시켜 제거하면 노즐(362)이 형성된다.
그리고, 상기 경계면의 경사도와 노광 깊이는 근접 노광 공정에서 포토마스크와 포토레지스트 사이의 간격 및 노광 에너지에 의해 조절될 수 있다. 한편, 노즐은 기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 이 경우에 노즐층은 기둥 형상으로 패터닝된다.
또한, 감광성 폴리머로는 건조되어 필름화된 것이거나 액상의 것이 사용될 수 있다. 감광성 폴리머가 건조된 필름(dry film)인 경우에는 가열, 가압하여 압착하는 라미네이션(lamination) 방법에 의해 도포되며, 감광성 폴리머가 액상인 경우에는 스핀 코팅 방법에 의해 도포하게 된다.
이후 도 3n에 도시된 바와 같이, 제 1기판(210)의 배면에 잉크 공급 매니폴드(220)를 형성한다. 제 1기판(210)의 배면에 식각될 영역을 한정하는 식각 마스크 를 형성한 후, 제 1기판(210)의 배면을 에칭액으로 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화칼륨(KOH; potassium hydroxide)을 사용하여 습식 식각하면, 도시된 바와 같이 측면이 경사진 잉크 공급 매니폴드(220)가 형성된다. 한편, 잉크 공급 매니폴드(220)는 제 1기판(210)의 배면을 이방성 건식 식각함으로써 형성될 수도 있다.
그리고 도 3o에 도시한 바와 같이 잉크 공급 매니폴드(220)가 형성된 제 1기판(210)의 상부에 형성된 산화막(230)을 제거하여 잉크 채널(232)을 형성한다. 먼저 제 1기판의 배면에 잉크 채널(232)을 한정하는 식각 마스크를 형성한 후, 잉크 공급 매니폴드(220)와 제 2기판(240) 사이의 산화막(230)을 반응성이온식각법(RIE)에 의해 이방성 건식 식각하여 잉크 채널(232)을 형성한다.
이후, 도 3p에 도시된 바와 같이 잉크 채널(232)이 형성된 제 2기판(240)을 식각하여 잉크 챔버(250)를 형성한다. 잉크 챔버(250)는 잉크 공급 매니폴드(220) 및 잉크 채널(232)에 의해 노출된 제 2기판(240)을 등방성 식각함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로, XeF2 가스 또는 BrF3 가스를 식각가스로 사용하여 제 2기판(240)을 소정 시간 동안 건식 식각한다.
이때, 제 2기판(240)의 식각은 등방성 식각에 의해 이루어지므로, 제 2기판(240)은 잉크 채널(232)에 의해 노출된 부분으로부터 모든 방향으로 동일한 속도로 식각된다. 그러나 식각저지벽(etch stop)으로서의 역할을 하는 측벽(244)에서는 수평 방향의 식각은 저지되므로 수직 방향의 식각만 진행된다. 따라서 도시된 바와 같이 측벽(244)에 의해 둘러싸여서 사각형의 형상을 가진 잉크 챔버(250)가 형성된 다.
상기한 단계들을 거치게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드가 완성된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다. 예컨대, 본 발명에서 프린트헤드의 각 요소를 구성하기 위해 사용되는 물질은 예시되지 않은 물질을 사용할 수도 있다.
또한, 각 단계에서 예시된 구체적인 수치는 제조된 프린트헤드가 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 얼마든지 예시된 범위를 벗어나 조정가능하다. 그리고 각 물질의 적층 및 형성방법도 단지 예시된 것으로서, 다양한 증착방법이 적용될 수 있다.
특히, 본 발명은 히터에서 발생되는 잉여열의 제거에 주된 특징이 있는 것이므로, 유로 플레이트와 노즐 플레이트는 상기한 방법과는 달리 알려진 여러가지 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 노즐 플레이트는 유로 플레이트와 동일한 물질을 이용하여 일체로 형성될 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드 및 이의 제조방법에 따르면, 열전도도가 우수한 은을 이용한 열전도층을 형성하여 히 터에서 발열되어 소모되는 잉여열을 손쉽게 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 노즐의 형성을 위하여 사용되는 도금공정을 배제하여 노즐 형성공정을 단순화하고, 형성되는 노즐 및 잉크유로의 일정한 재현성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크 챔버에 잉크를 공급하기 위한 매니폴드와, 상기 잉크 챔버와 매니폴드를 연결하는 잉크 채널이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 절연층, 히터, 전극, 보호층이 적층되며, 상기 잉크 챔버와 연결되는 노즐이 관통되어 형성된 노즐 플레이트; 및
    상기 보호층 상부에 위치하여 상기 기판에 플러그되는 열전도층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도층은 감광성 은-페이스트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드.
  3. 기판의 상면에 절연층을 형성하는 절연층형성단계;
    상기 절연층 상에 히터를 형성하는 히터형성단계;
    상기 히터의 상측에 전극을 형성하는 전극형성단계;
    상기 히터 및 상기 전극의 상측에 보호층을 형성하는 보호층형성단계;
    상기 기판에 플러그되는 열전도층을 형성하는 열전도층형성단계;
    상기 열전도층 상측에 노즐을 형성하는 노즐층형성단계;
    상기 기판상에 잉크 공급 매니폴드를 형성하는 매니폴드형성단계;
    상기 기판상기 상기 잉크 공급 매니폴드와 상기 노즐을 연결하는 잉크 챔버를 형성하는 잉크챔버형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열전도층 형성단계는, 감광성 은-페이스트를 도포하고, 도포된 감광성 은-페이스트를 포토리소그라피에 의해 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 감광성 은-페이스트는 스핀-코팅법에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 모놀리틱 잉크젯 프린트헤드의 제조방법.
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