JP2005191289A - Piezoelectric actuator and method for manufacturing liquid spray head using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換機能を有する圧電アクチュエータ、及びこれを用いた液体噴射ヘッド、並びに液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator having an electromechanical conversion function, a liquid ejecting head using the same, and a liquid ejecting apparatus.
従来から、液体噴射ヘッドの一例として、インクジェット式記録ヘッドがある。このインクジェット式記録ヘッドは、プリンタのインク吐出の駆動源として圧電アクチュエータを用いている。圧電アクチュエータは、一般に、インク滴を吐出するノズル開口(吐出口)と連通する圧力発生室と、圧力発生室の一面を画成する振動板と、この振動板上に形成され、かつ下部電極、圧電体膜及び上部電極を有する圧電体素子と、を備えて構成されている。このようなインクジェット式記録ヘッドでは、安定した液滴吐出特性が得られ、信頼性を向上することを目的とした様々な改善がなされている。 Conventionally, there is an ink jet recording head as an example of a liquid ejecting head. This ink jet recording head uses a piezoelectric actuator as a drive source for ink ejection of a printer. The piezoelectric actuator generally includes a pressure generation chamber that communicates with a nozzle opening (discharge port) that discharges ink droplets, a vibration plate that defines one surface of the pressure generation chamber, a lower electrode formed on the vibration plate, And a piezoelectric element having a piezoelectric film and an upper electrode. In such an ink jet recording head, various improvements have been made for the purpose of obtaining stable droplet discharge characteristics and improving reliability.
例えば、特開2001−88294号公報には、イリジウムを含む下部電極上に2nm〜10nmのチタン層を積層し、その上に強誘電体を構成する金属元素及び酸素元素を含む非晶質膜を形成し、当該非晶質膜を熱処理することで(100)面優先配向の結晶化した強誘電体薄膜とすることが開示されている。
しかしながら、従来の成膜方法においても、諸条件により100面配向度が異なることがあり、目的とする配向性をより安定して得ることが必要であった。特に、100面配向度の高い圧電体膜を安定して得ることが必要である。 However, even in the conventional film forming method, the degree of orientation in the 100 plane may vary depending on various conditions, and it is necessary to obtain the desired orientation more stably. In particular, it is necessary to stably obtain a piezoelectric film having a high degree of orientation in the 100 plane.
本発明は、100面配向度の高い圧電体膜を備えた圧電アクチュエータを安定して得ることのできる製造方法、及びこれを用いた液体噴射ヘッド、液体噴射装置を提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide a manufacturing method capable of stably obtaining a piezoelectric actuator including a piezoelectric film having a high degree of orientation in 100 plane, and a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus using the same.
この目的を達成するため、本発明は、基板上に下部電極を形成する工程と、この下部電極上に種チタン層をスパッタ法により形成する工程と、この種チタン層上に圧電体膜を形成する工程と、この圧電体膜上に上部電極を形成する工程とを備える圧電アクチュエータの製造方法であって、前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ時間を、前記スパッタ法に用いるスパッタ装置によりチタンの連続膜が形成される所要スパッタ時間の2%以上20%以下の時間としたものである。 In order to achieve this object, the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a seed titanium layer on the lower electrode by a sputtering method, and a piezoelectric film formed on the seed titanium layer. And a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film, wherein the sputtering time in the step of forming the seed titanium layer is determined by the sputtering apparatus used for the sputtering method. 2% to 20% of the required sputtering time for forming the continuous film.
これにより、種チタン層を良好な島状に形成することができ、その後に形成する圧電体膜の100面配向度を安定して高くすることができる。 Thereby, the seed titanium layer can be formed in a good island shape, and the degree of orientation of the 100 plane of the piezoelectric film formed thereafter can be stably increased.
上記製造方法において、前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ装置内の圧力は、2Pa以上5Pa以下であることが望ましい。これにより、スパッタされたTi粒子を適度に減速させて下部電極上に到達させ、良好な島状に堆積させることができる。 In the manufacturing method, the pressure in the sputtering apparatus in the step of forming the seed titanium layer is preferably 2 Pa or more and 5 Pa or less. Thereby, the sputtered Ti particles can be moderately decelerated to reach the lower electrode, and can be deposited in a good island shape.
上記製造方法において、前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタパワーは、50W以上100W以下であることが望ましい。これにより、装置内の圧力を高くしてもTi元素を良好にスパッタすることができる。また、スパッタ時間を短くしても効率よく種チタン層を堆積させることができる。 In the above manufacturing method, the sputtering power in the step of forming the seed titanium layer is preferably 50 W or more and 100 W or less. Thereby, even if the pressure in the apparatus is increased, the Ti element can be sputtered satisfactorily. Also, the seed titanium layer can be deposited efficiently even if the sputtering time is shortened.
上記製造方法において、前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ時間は、1秒以上12秒以下であることが望ましい。これにより、種チタン層を一層良好な島状にすることができ、圧電体膜の100面配向度を安定して高くすることができる。 In the manufacturing method described above, the sputtering time in the step of forming the seed titanium layer is desirably 1 second or longer and 12 seconds or shorter. Thereby, a seed titanium layer can be made into a more favorable island shape, and the 100-plane orientation degree of a piezoelectric material film can be made high stably.
上記製造方法において、前記種チタン層を形成する工程において、前記種チタン層を平均0.1nm以上1nm以下の厚さに形成することが望ましい。これにより、種チタン層を一層良好な島状にすることができ、圧電体膜の100面配向度を安定して高くすることができる。 In the manufacturing method, in the step of forming the seed titanium layer, it is preferable that the seed titanium layer is formed to an average thickness of 0.1 nm to 1 nm. Thereby, a seed titanium layer can be made into a more favorable island shape, and the 100-plane orientation degree of a piezoelectric material film can be made high stably.
上記製造方法において、前記圧電体膜はPZT又はこれを主成分とする固溶体からなることが望ましい。PZT又はこれを主成分とする固溶体は特に圧電特性に優れ、チタンを含んでいるので上記種チタン層を核として良好に結晶成長することができる。 In the above manufacturing method, the piezoelectric film is preferably made of PZT or a solid solution containing this as a main component. PZT or a solid solution containing this as a main component is particularly excellent in piezoelectric characteristics and contains titanium, so that the crystal growth can be favorably performed using the seed titanium layer as a nucleus.
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、上記の製造方法により圧電アクチュエータを形成する工程と、前記圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室を形成する工程と、当該圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口を形成する工程と、を備えている。これにより、圧電アクチュエータの構成要素である圧電体膜の100面配向度が高く良好な圧電特性を有するため、高性能であり、且つ高い信頼性を有する液体噴射ヘッドを得ることができる。 The method of manufacturing a liquid jet head according to the present invention includes a step of forming a piezoelectric actuator by the above-described manufacturing method, a step of forming a pressure generating chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement of the piezoelectric actuator, and the pressure generating chamber And a step of forming a discharge port that discharges the liquid droplets in communication therewith. As a result, the piezoelectric film, which is a constituent element of the piezoelectric actuator, has a high degree of orientation in the 100 plane and has good piezoelectric characteristics, so that a liquid jet head having high performance and high reliability can be obtained.
本発明の圧電アクチュエータは、上記の製造方法により製造されたことを特徴とする。この圧電アクチュエータは、100面配向度が高く良好な圧電特性を有する圧電体膜を備えるため、高性能であり、且つ高い信頼性を有している。 The piezoelectric actuator of the present invention is manufactured by the above manufacturing method. Since this piezoelectric actuator includes a piezoelectric film having a high degree of orientation on the 100 plane and good piezoelectric characteristics, it has high performance and high reliability.
そしてまた、本発明は、前述した本発明にかかる圧電アクチュエータと、当該アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室と、当該圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口と、を備えた液体噴射ヘッドを提供するものである。 The present invention also includes the piezoelectric actuator according to the present invention described above, a pressure generation chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement of the actuator, a discharge port that communicates with the pressure generation chamber and discharges droplets. A liquid ejecting head including the above is provided.
この構成を備えた液体噴射ヘッドは、前記圧電アクチュエータの構成要素である圧電体膜の100面配向度が高く良好な圧電特性を得られるため、高性能であり、且つ高い信頼性を有している。 The liquid ejecting head having this configuration has high performance and high reliability because the piezoelectric film, which is a component of the piezoelectric actuator, has a high degree of orientation in the 100 plane and can obtain good piezoelectric characteristics. Yes.
さらにまた、本発明は、前述した本発明にかかる液体噴射ヘッドと、当該液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えた液体噴射装置を提供するものである。 Furthermore, the present invention provides a liquid ejecting apparatus including the above-described liquid ejecting head according to the present invention and a driving device that drives the liquid ejecting head.
この構成を備えた液体噴射装置は、液体噴射ヘッドの構成要素である圧電アクチュエータにおいて、圧電体膜の100面配向度が高く良好な圧電特性を得られるため、高性能であり、且つ高い信頼性を有している。 The liquid ejecting apparatus having this configuration has high performance and high reliability because a piezoelectric actuator, which is a constituent element of the liquid ejecting head, can obtain good piezoelectric characteristics with a high degree of orientation of the piezoelectric film in the 100 plane. have.
次に、本発明の好適な実施形態にかかる圧電アクチュエータ、これを用いた液体噴射ヘッド、及びこれらの製造方法について図面を参照して説明する。 Next, a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention, a liquid jet head using the piezoelectric actuator, and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
なお、本実施の形態では、液体噴射ヘッドとして、インク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを、液体噴射装置として、インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを例にとって説明する。また、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Note that in this embodiment, an ink jet recording head that ejects ink droplets as a liquid ejecting head and a printer that includes an ink jet recording head as a liquid ejecting apparatus will be described as an example. The embodiments described below are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited only to these embodiments. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
図1は、本実施の形態にかかるプリンタを示す斜視図、図2は、図1に示すプリンタに使用されるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図、図3は、図2に示すインクジェット式記録ヘッドの圧電アクチュエータ付近を拡大した平面図、図4は、図3に示すi−i線に沿った断面図、図5は、図3に示すii−ii線に沿った断面図、図6及び図7は、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。 1 is a perspective view showing a printer according to the present embodiment, FIG. 2 is an exploded perspective view of an ink jet recording head used in the printer shown in FIG. 1, and FIG. 3 is an ink jet recording head shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line ii shown in FIG. 3, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line ii-ii shown in FIG. 3, and FIGS. FIG. 7 is a process diagram illustrating a method for manufacturing the piezoelectric actuator and the ink jet recording head according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施の形態にかかるプリンタ1は、複数のインクジェット式記録ヘッド220(図2参照)を有するヘッドユニット200を備え、このヘッドユニット200には、インク供給手段を構成するカートリッジ1A及び1Bが着脱可能に設けられている。なお、本実施の形態では、カートリッジ1Aは1室からなり、ブラックインク組成物が収容されている。また、カートリッジ1Bは例えば3つの部屋に仕切られており、各々の部屋には、シアンインク組成物、マゼンタインク組成物、イエロインク組成物が各々収容されている。これらのカートリッジ1A及び1Bが着脱可能に設けられたヘッドユニット200は、キャリッジ3に搭載されており、このキャリッジ3は、プリンタ本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。
As shown in FIG. 1, the printer 1 according to this embodiment includes a
また、プリンタ本体4には、キャリッジ3を駆動するための駆動モータ6が設けられており、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、ヘッドユニット200を搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。
The
さらに、プリンタ本体4には、キャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8上を搬送されるようになっている。そして、ヘッドユニット200から、所望のインク組成物が、所望のタイミングで記録シートSに吐出されることで、文字や画像等が印刷される。
Further, the
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220は、図2〜図5に示すようにノズル開口21に連通する圧力発生室12が形成される流路形成基板10と、流路形成基板10の一方面側に振動板50を介して設けられた圧電体素子300を備えて構成されている。そして、振動板50及び圧電体素子300により、圧力発生室12内の圧力を高め、ノズル開口21からインク滴を吐出させるための駆動源としての圧電アクチュエータを構成している。
As shown in FIGS. 2 to 5, the ink
流路形成基板10は、シリコン単結晶基板から構成されており、この流路形成基板10の一方側に形成されている振動板50は、流路形成基板10を予め熱酸化して形成した二酸化シリコン(SiO2)からなる酸化膜51と、この酸化膜51上に形成した拡散防止膜52から構成されている。(図4及び図5参照)。この拡散防止膜52は、本実施の形態では、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜から構成されており、後述する圧電体膜43に含有されている鉛(Pb)が、酸化膜51に拡散されることを防止する機能を備えている。
The flow
また、この流路形成基板10には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁22によって区画された圧力発生室12が複数形成されている。各圧力発生室12の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板30に設けられるリザーバ部31と連通し、各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成する連通部13が形成されている。この連通部13は、インク供給路14を介して各圧力発生室12の長手方向一端部に各々連通されている。
The flow
流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側で連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。すなわち、本実施の形態では、1つのインクジェット式記録ヘッド220にノズル開口21の並設されたノズル列21Aが2列設けられている。
On the opening surface side of the flow
振動板50上には、所定の形状にパターニングされた下部電極33と、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体膜43と、上部電極44と、を備えた圧電体素子300が形成されている。この圧電体素子300では、下部電極33がパターニングされていることから、圧電体膜43と拡散防止膜52とが密着する(接触する)密着領域53が形成されている。
A
このような圧電体素子300が形成された流路形成基板10上には、リザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部31を有するリザーバ形成基板30が接合されている。このリザーバ部31は、本実施の形態では、リザーバ形成基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
A
なお、このようなリザーバ形成基板30としては、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等を挙げることができるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
Examples of the
さらに、リザーバ形成基板30上には、各圧電体素子300を駆動するための駆動IC110が設けられている。この駆動IC110の各端子は、図示しないボンディングワイヤ等を介して各圧電体素子300の個別電極から引き出された引き出し配線と接続されている。そして、駆動IC110の各端子には、フレキシブルプリントケーブル(FPC)等の外部配線111を介して外部と接続され、外部から外部配線111を介して印刷信号等の各種信号を受け取るようになっている。
Furthermore, a
また、このようなリザーバ形成基板30上には、コンプライアンス基板40が接合されている。コンプライアンス基板40のリザーバ100に対向する領域には、リザーバ100にインクを供給するためのインク導入口45が厚さ方向に貫通することで形成されている。また、コンプライアンス基板40のリザーバ100に対向する領域のインク導入口45以外の領域は、厚さ方向に薄く形成された可撓部46となっており、リザーバ100は、可撓部46により封止されている。そして、この可撓部46により、リザーバ100内にコンプライアンスを与えている。
A
このように、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220は、ノズルプレート20、流路形成基板10、リザーバ形成基板30及びコンプライアンス基板40の4つの基板で構成されている。そして、このようなインクジェット式記録ヘッド220のコンプライアンス基板40上には、インク導入口45に連通すると共に、図示しないカートリッジケースのインク連通路に連通して、カートリッジケースからのインクをインク導入口45に供給するインク供給連通路231が設けられたヘッドケース230が設けられている。このヘッドケース230には、可撓部46に対向する領域に、図示しない凹部が形成され、可撓部46の撓み変形が適宜行われるようになっている。また、ヘッドケース230には、リザーバ形成基板30上に設けられた駆動IC110に対向する領域に厚さ方向に貫通した駆動IC保持部233が設けられており、外部配線111は、駆動IC保持部233を挿通して駆動IC110と接続されている。
As described above, the ink
このようなインクジェット式記録ヘッド220は、インクカートリッジから供給されるインクをインク導入口45から取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動IC110からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの圧電体素子300に電圧を印加し、振動板50をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力を高め、ノズル開口21からインク滴を吐出させる。
Such an ink
次に、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド220の製造方法について図6及び図7を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the ink
(振動板の形成工程:S1)
シリコン単結晶基板(例えば、厚さ200μm程度)からなる流路形成基板10を、酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、流路形成基板10に、二酸化シリコン膜からなる酸化膜51(例えば、厚さ1μm程度)を形成する。この工程には通常用いる熱酸化法の他、CVD法を使用することもできる。
(Diaphragm forming step: S1)
A flow
次に、酸化膜51上に、酸化ジルコニウム膜からなる拡散防止膜52(例えば、厚さ200nm〜400nm程度)を形成する。この拡散防止膜52は、例えば、スパッタ法または真空蒸着法等によりジルコニウムの層を形成し、酸素雰囲気中で高温処理して得られる。また、酸化ジルコニウムターゲットを用いてRFスパッタを行い、酸化ジルコニウムを直接形成してもよい。このようにして、酸化膜51及び拡散防止膜52からなる振動板50を形成する。
Next, a diffusion prevention film 52 (for example, a thickness of about 200 nm to 400 nm) made of a zirconium oxide film is formed on the
(下部電極形成用膜の形成工程:S2)
次に、拡散防止膜52上に、後に説明する工程で、パターニングにより下部電極33を形成するための下部電極形成用膜33aを形成する。この下部電極形成用膜33aは、本実施の形態では、例えば、スパッタ法等でイリジウム(Ir)を含む層を形成する工程と、該Ir層上に、スパッタ法等で白金(Pt)を含む層を形成する工程と、該Pt層上にスパッタ法等でイリジウムを含む層を形成する工程を行うことで形成した。なお、拡散防止膜52上には、下部電極形成用の膜33aの形成に先立ち、チタンからなる密着層(図示せず)をスパッタ法又は真空蒸着法により形成してもよい。
(Process for forming lower electrode forming film: S2)
Next, on the
下部電極形成用膜33aを形成した後、これに連続して下部電極形成用膜33a上に図示しないチタン(Ti)層を形成する。このチタン層は、後に形成される圧電体前駆体膜43aを結晶化させるための核となる機能を有するものであり、チタン結晶を核として圧電体前駆体膜43aを結晶化させることにより、結晶成長が下部電極形成用膜33a側から起こり、緻密で柱状の結晶を得ることができる。このチタン層は、例えばスパッタ法等により形成することが好ましい。
After forming the lower
チタン層は、下部電極形成用膜33a上に膜が連続的に形成されておらず部分的に存在する状態である島状に形成されていることが好ましい。特に、当該スパッタ装置によりチタンの連続膜を形成できる所要スパッタ時間に対して、2%以上20%以下のスパッタ時間で成膜することが好ましい。かかるスパッタ時間とすることにより、最適な島状のチタン層を形成することができる。例えば、チタンの連続膜を形成するための所要スパッタ時間が1分であり、そのときの膜厚が5nmとなるとき、同じ条件下で1秒〜12秒のスパッタ時間とすることで、膜厚が平均0.1nm〜1nmの島状のチタン層を形成することができる。従って、この範囲のスパッタ時間および平均膜厚が好ましい。
The titanium layer is preferably formed in an island shape in which the film is not continuously formed on the lower
また、チタン層の形成におけるスパッタ装置内の雰囲気は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とし、圧力は2Pa以上5Pa以下とするのが好ましく、3Pa以上4Pa以下とするのがより好ましい。このように雰囲気内の圧力を高くすることは、スパッタされたチタン粒子を適度に減速させて下部電極上に到達させ、適切な島状のチタン層を形成することに寄与するものと考えられる。また、スパッタパワーを高く設定し、50W以上100W以下とすることが好ましい。これにより、装置内の圧力を高くしてもチタン粒子を下部電極上に飛ばすことができ、短いスパッタ時間でも効率よく種チタン層を堆積させることができる。 The atmosphere in the sputtering apparatus for forming the titanium layer is an inert gas atmosphere such as argon, and the pressure is preferably 2 Pa or more and 5 Pa or less, and more preferably 3 Pa or more and 4 Pa or less. Increasing the pressure in the atmosphere as described above is considered to contribute to forming an appropriate island-shaped titanium layer by appropriately decelerating the sputtered titanium particles to reach the lower electrode. Moreover, it is preferable that the sputtering power is set high and is 50 W or more and 100 W or less. Thereby, even if the pressure in the apparatus is increased, titanium particles can be blown onto the lower electrode, and the seed titanium layer can be deposited efficiently even in a short sputtering time.
(第1の圧電体膜の形成工程:S3及びS4)
次に、下部電極形成用膜33a上に、最終的に形成されるべき圧電体膜43の所望の厚さ以下、好ましくは所望の厚さの半分以下の厚さで圧電体前駆体膜43aを形成する。例えば、全体の膜厚1.5μmの圧電体膜43を7層で構成する場合、この第1工程では少なくとも1層からなる0.1μm〜0.2μmの圧電体前駆体膜43aを形成する。(S3参照)。
(First piezoelectric film forming step: S3 and S4)
Next, the
具体的には、ゾル・ゲル法により、下部電極形成用膜33a上に、有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法により塗布する。次いで、一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。乾燥後、さらに大気雰囲気下において所定の高温で一定時間脱脂し、金属に配位している有機の配位子を熱分解させ、金属酸化物とする。この塗布、乾燥、脱脂の各工程を所定回数、例えば2回繰り返して圧電体前駆体膜43aを積層する。これらの乾燥と脱脂処理により、溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは配位子の熱分解を経て金属、酸素、金属のネットワークを形成する。
Specifically, a sol made of an organometallic alkoxide solution is applied onto the lower
次に、圧電体前駆体膜43aを焼成して結晶化させる。この焼成により、圧電体前駆体膜43aは、アモルファス状態から菱面体結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す膜へと変化する。以上の圧電体前駆体膜43aの形成および焼成の工程を1回行うことにより、1層からなる第1の圧電体膜43bが形成される。(S4参照)。
Next, the
こうして形成された第1の圧電体膜43bは、下部電極形成用膜33aの組成および前記チタン層の影響を受け、X線回折広角法により測定した(100)面配向度が90%以上となる。そして、(110)面配向度は5%以下、(111)面配向度が残部となる。ここで(100)面配向度とは、(100)面、(110)面、(111)面の回折強度の和を100とした時の(100)面の回折強度の割合を示すものとする。また、前記焼成に伴い、下部電極形成用膜33aも一部酸化し、及び圧電体膜の成分が一部拡散することにより膜厚が増加する。ここで、下部電極形成用膜をパターニングしてから圧電体膜を形成する方法では、下部電極形成用膜のパターニング境界付近の膜厚の増加が他の部分より少ないため膜厚が不均一となるが、本実施の形態の方法によれば、下部電極形成用膜33aをパターニングする前に第1の圧電体膜43bを形成するので、下部電極形成用膜33aの膜厚は全体的に増加し、不均一となることがない。
The thus formed first
(下部電極形成用膜及び第1の圧電体膜のパターニング工程:S5)
次に、第1の圧電体膜43b上に所望の形状のマスクを形成し、マスク領域以外をエッチングすることで第1の圧電体膜43b及び下部電極形成用膜33aのパターニングを行い、下部電極33及び配線用電極33bを形成する。具体的には、まずスピンナー法、スプレー法等により均一な厚みのレジスト材料を第1の圧電体膜43b上に塗布し(図示せず)、次いで、このレジスト材料を所定の形状にパターニングした後、露光・現像して、レジストパターンを形成し(図示せず)、これをマスクとして第1の圧電体膜43b及び下部電極形成用膜33aを、通常用いるイオンミリング又はドライエッチング法等によりエッチング除去し、拡散防止膜52を露出させる。
(Patterning process of lower electrode forming film and first piezoelectric film: S5)
Next, a mask having a desired shape is formed on the first
(第2の圧電体膜の形成工程:S6)
次いで、第1の圧電体膜43b上及び露出された拡散防止膜52上に、前記第1の圧電体膜の形成工程と同様の工程を例えば6回繰り返して第2の圧電体膜を形成し、合計1.5μmの圧電体膜43を形成する。この第2の圧電体膜の形成工程では、第1の圧電体膜の形成工程と同様に圧電体前駆体膜を形成しこれを焼成して結晶化させる工程が行われる。なお、第2の圧電体膜の形成前に、第1の圧電体膜43b上及び露出された拡散防止膜52上に、1nm以下の極薄の種チタン層をスパッタ法等により形成しても良い。
(Second piezoelectric film forming step: S6)
Next, on the first
第2の圧電体膜の焼成時には、拡散防止膜52上の圧電体前駆体膜に含有されている鉛が、拡散防止膜52に拡散しようとするが、酸化拡散防止膜52の機能により、前記鉛が酸化膜51にまで到達することはない。この拡散防止膜52は、その膜厚が例えば200nm〜400nm程度と薄くても、十分な拡散防止機能を発揮することができる。
At the time of firing the second piezoelectric film, lead contained in the piezoelectric precursor film on the
下部電極33は、前記第1の圧電体膜の形成工程における焼成で既に酸化および拡散され、全体的に膜厚が増加しているので、第2の圧電体膜の形成工程で膜厚が更に増加することはない。したがって下部電極33の膜厚が不均一になることはないし、下部電極33のパターニング境界付近に存在している圧電体膜43に、下部電極33の膜厚変化によるクラックが入ったり結晶が膜面方向に不連続となったりすることはない。さらに、第1の圧電体膜の形成工程で得られた第1の圧電体膜43bと、第2の圧電体膜の形成工程で得られた第2の圧電体膜との間で結晶構造が膜厚方向に連続し、層間剥離が起こりにくいため信頼性の高い圧電体膜43を得ることができる。
Since the
図8は、下部電極上に形成する種チタン層の平均膜厚を種々変えて圧電体膜を成膜し、そのX線回折パターンを測定した結果を示す図である。図8(A)は種チタン層が平均厚さ0.5nmの場合、図8(B)は種チタン層が平均厚さ1nmの場合、図8(C)は種チタン層が平均厚さ2nmの場合、図8(D)は種チタン層が平均厚さ3nmの場合をそれぞれ示している。スパッタ装置内の圧力は4.0Pa、スパッタパワーは50W、基板温度は100℃とした。ここで形成した種チタン層は、使用するスパッタ装置により連続膜を形成できる所要スパッタ時間Tと、そのときの膜厚Lに基づき、所望の種チタン層の厚さLxを形成するためのスパッタ時間Txを
Tx=T×Lx/L
により求めてスパッタ時間を設定し、形成したものである。
FIG. 8 is a diagram showing the result of measuring the X-ray diffraction pattern of the piezoelectric film formed by changing the average film thickness of the seed titanium layer formed on the lower electrode. 8A shows the case where the seed titanium layer has an average thickness of 0.5 nm, FIG. 8B shows the case where the seed titanium layer has an average thickness of 1 nm, and FIG. 8C shows the case where the seed titanium layer has an average thickness of 2 nm. FIG. 8D shows the case where the seed titanium layer has an average thickness of 3 nm. The pressure in the sputtering apparatus was 4.0 Pa, the sputtering power was 50 W, and the substrate temperature was 100 ° C. The seed titanium layer formed here has a required sputtering time T in which a continuous film can be formed by the sputtering apparatus used and a sputtering time for forming a desired seed titanium layer thickness Lx based on the film thickness L at that time. Tx Tx = T × Lx / L
Thus, the sputtering time is determined and formed.
図8(C)及び(D)に示すように、種チタン層の厚さが2nm以上ではPZTの100面配向度が高くはなく、更に111面のピークも見られる。これに対し、図8(A)及び(B)に示すように、種チタン層の平均厚さが1nm以下では100面配向度が極めて高く、100面配向度がほぼ100%のPZTを得ることができた。 As shown in FIGS. 8C and 8D, when the thickness of the seed titanium layer is 2 nm or more, the 100-plane orientation degree of PZT is not high, and a peak of 111 plane is also observed. On the other hand, as shown in FIGS. 8A and 8B, when the average thickness of the seed titanium layer is 1 nm or less, the degree of orientation in the 100 plane is extremely high, and PZT having the degree of orientation in the 100 plane of almost 100% is obtained. I was able to.
本実施形態では、種チタン層の厚さが0.1μm〜1μmと極めて薄いので、種チタン層上に圧電体膜を成膜したときに圧電体膜の組成中に種チタン層からのTi元素が入り込むとしても極めて少なくて済む。従って、圧電体膜の成膜時の原料組成は、目的とする圧電体膜の組成に合わせればよく、種チタン層から圧電体膜に入り込むTi元素の量を考慮する必要がない。例えば、圧電体膜としてPb(Zr0.56Ti0.44)O3のPZTをゾル・ゲル法で成膜する場合には、調整するゾルのZr/Ti比は56/44とすれば良く、ゾルにおけるTiの比率をこれより下げる必要はない。 In this embodiment, since the thickness of the seed titanium layer is as extremely thin as 0.1 μm to 1 μm, the Ti element from the seed titanium layer is included in the composition of the piezoelectric film when the piezoelectric film is formed on the seed titanium layer. Even if it gets in, there is very little. Therefore, the raw material composition at the time of forming the piezoelectric film may be matched with the composition of the target piezoelectric film, and it is not necessary to consider the amount of Ti element that enters the piezoelectric film from the seed titanium layer. For example, when PZT of Pb (Zr 0.56 Ti 0.44 ) O 3 is formed as a piezoelectric film by the sol-gel method, the Zr / Ti ratio of the sol to be adjusted may be 56/44. It is not necessary to lower the ratio of this.
(上部電極形成用膜の形成工程:S7)
次に、圧電体膜43上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により上部電極形成用膜44aを形成する。この上部電極形成用膜44aとしては、白金、イリジウム、あるいはその他の金属等を用い、50nm程度の膜厚で形成する。
(Upper electrode forming film forming step: S7)
Next, an upper
(圧電体膜及び上部電極の形成工程:S8)
次に、圧電体膜43及び上部電極形成用膜44aを、形成すべき圧電体素子300の所定形状にパターニングする。具体的には、上部電極形成用膜44a上にレジスト材料をスピンコートした後、圧力発生室12が形成されるべき位置に合わせてパターニングする。残ったレジスト材料をマスクとして上部電極形成用膜44a及び圧電体膜43をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程により圧電体素子300が形成される。
(Piezoelectric film and upper electrode forming step: S8)
Next, the
(細帯電極形成工程:S9)
次に、上部電極44と配線用電極33bを導通する細帯電極55を形成する。細帯電極55の材質は剛性が低く、電気抵抗が低い金から形成することが好ましいが、他に、アルミニウム、銅等も好適である。細帯電極55は、約0.2μmの膜厚で形成し、その後各上部電極44と配線用電極33bとの導通部が残るようにパターニングする。
(Strip electrode forming step: S9)
Next, a
(圧力発生室の形成工程:S10)
次に、圧電体素子300が形成された流路形成基板10の他方の面に、異方性エッチングまたは平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを施し、圧力発生室12を形成する。エッチングされずに残された部分が隔壁22(図5参照)になる。
(Pressure generation chamber forming step: S10)
Next, anisotropic etching using an active gas such as anisotropic etching or parallel plate type reactive ion etching is performed on the other surface of the flow
(ノズルプレートの貼り合わせ工程:S11)
最後に、エッチング後の流路形成基板10にノズルプレート20を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせの時に各ノズル開口21が圧力発生室12の各々の空間に配置されるよう位置合わせする。ノズルプレート20が貼り合わせられた流路形成基板10をヘッドケース230に取り付け、インクジェット式記録ヘッド220を完成させる。
(Nozzle plate bonding step: S11)
Finally, the
なお、本実施の形態では、拡散防止膜52を酸化ジルコニウム膜から構成した場合について説明したが、これに限らず、拡散防止膜52は、拡散防止機能を備えていれば、例えば、酸化アルミニウムや、酸化チタン等、他の材料から構成してもよく、また、所望により、添加物等が加えられていてもよい。
In the present embodiment, the case where the
そしてまた、本実施の形態では、圧電体膜43をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成した場合について説明したが、これに限らず、圧電体膜43は、圧電性セラミックスの結晶であり、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料の他、これに酸化ニオブ、酸化ニッケルまたは酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したものから構成してもよい。また、圧電体膜43の組成は、圧電体素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等が好適に用いられる。また、チタン酸鉛やジルコニウム酸鉛にニオブ(Nb)を適宜添加することにより、圧電特性に優れた膜を得ることができる。
In the present embodiment, the case where the
そしてまた、本実施の形態では、液体噴射ヘッドとして、インク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを、液体噴射装置として、インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを例にとって説明したが、これに限らず、広く液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。 In the present embodiment, an ink jet recording head that discharges ink droplets as a liquid ejecting head has been described as an example of a printer that includes an ink jet recording head as a liquid ejecting apparatus. The present invention is intended for all liquid ejecting apparatuses having a wide liquid ejecting head. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (surface emitting display). Electrode material ejecting heads used in manufacturing, bioorganic matter ejecting heads used in biochip production, and the like.
1・・・プリンタ、10・・・流路形成基板、12・・・圧力発生室、33・・・下部電極、43・・・圧電体膜、44・・・上部電極、50・・・振動板、51・・・酸化膜、52・・・拡散防止膜、53・・・密着領域、220・・・インクジェット式記録ヘッド、300・・・圧電体素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Printer, 10 ... Channel formation board | substrate, 12 ... Pressure generation chamber, 33 ... Lower electrode, 43 ... Piezoelectric film, 44 ... Upper electrode, 50 ... Vibration Plate: 51 ... Oxide film, 52 ... Diffusion prevention film, 53 ... Adhesion region, 220 ... Inkjet recording head, 300 ... Piezoelectric element
Claims (10)
前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ時間は、前記スパッタ法に用いるスパッタ装置によりチタンの連続膜が形成される所要スパッタ時間の2%以上20%以下の時間である、圧電アクチュエータの製造方法。 A step of forming a lower electrode on the substrate, a step of forming a seed titanium layer on the lower electrode by a sputtering method, a step of forming a piezoelectric film on the seed titanium layer, and an upper portion on the piezoelectric film A method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a step of forming an electrode,
The method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein a sputtering time in the step of forming the seed titanium layer is 2% or more and 20% or less of a required sputtering time for forming a continuous titanium film by a sputtering apparatus used in the sputtering method.
前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ装置内の圧力は、2Pa以上5Pa以下である、圧電アクチュエータの製造方法。 In claim 1,
The method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the pressure in the sputtering apparatus in the step of forming the seed titanium layer is 2 Pa or more and 5 Pa or less.
前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタパワーは、50W以上100W以下である、圧電アクチュエータの製造方法。 In claim 1 or claim 2,
The method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein sputtering power in the step of forming the seed titanium layer is 50 W or more and 100 W or less.
前記種チタン層を形成する工程におけるスパッタ時間は、1秒以上12秒以下である、圧電アクチュエータの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein a sputtering time in the step of forming the seed titanium layer is not less than 1 second and not more than 12 seconds.
前記種チタン層を形成する工程において、前記種チタン層を平均0.1nm以上1nm以下の厚さに形成する、圧電アクチュエータの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein, in the step of forming the seed titanium layer, the seed titanium layer is formed to an average thickness of 0.1 nm to 1 nm.
前記圧電体膜はPZT又はこれを主成分とする固溶体からなる、圧電アクチュエータの製造方法。 In any one of Claims 1 to 5,
The method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric film is made of PZT or a solid solution mainly composed of PZT.
前記圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室を形成する工程と、
当該圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口を形成する工程と、を備える、液体噴射ヘッドの製造方法。 Forming a piezoelectric actuator by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6;
Forming a pressure generating chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement of the piezoelectric actuator;
Forming a discharge port that discharges droplets in communication with the pressure generation chamber.
A liquid ejecting apparatus comprising: the liquid ejecting head according to claim 9; and a driving device that drives the liquid ejecting head.
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JP2003430929A JP2005191289A (en) | 2003-12-25 | 2003-12-25 | Piezoelectric actuator and method for manufacturing liquid spray head using the same |
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JP2007152912A (en) * | 2005-12-08 | 2007-06-21 | Seiko Epson Corp | Manufacturing method for piezoelectric element, piezoelectric element and liquid jet head |
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