JP2011238710A - Manufacturing method of liquid injection head and liquid injection device using the same, and manufacturing method of piezo-electric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体噴射ヘッドの製造方法及びこれを用いた液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid jet head, a liquid jet apparatus using the same, and a method for manufacturing a piezoelectric element.
液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、圧電セラミックスからなる圧電体層を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。 As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so that the ink in the pressure generation chamber is There is an ink jet recording head that pressurizes and ejects ink droplets from nozzle openings. As a piezoelectric element used in an ink jet recording head, there is a piezoelectric material having an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric material layer composed of piezoelectric ceramics sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element is mounted on a liquid ejecting head as an actuator device in a flexural vibration mode.
圧電セラミックスとして、高い変位特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた液体噴射ヘッドが知られている(特許文献1参照)。 A liquid jet head using lead zirconate titanate (PZT) having high displacement characteristics is known as a piezoelectric ceramic (see Patent Document 1).
特許文献1では圧電セラミックスとしてPZTを用いたが、現在、環境汚染の観点から、鉛を含有しない、又は鉛の含有量を抑制した圧電セラミックスを用いた液体噴射ヘッドが求められている。しかし、鉛を含有しない圧電セラミックスとして、チタン酸ビスマスナトリウム(BiNaTiO3)(以下、単にBNTとする)の様なアルカリ金属を含有する圧電セラミックスを薄膜の圧電体層に用いると、圧電セラミックス中のアルカリ金属が電極に拡散することで、1.0×10―1A/cm2以上の大きなリーク電流が発生するという問題がある。他方で、バルクではアルカリ金属を含有することで、圧電セラミックスの圧電特性が向上するため、このようなアルカリ金属を含有する圧電セラミックスを薄膜構造とした圧電素子が望ましい。また、このように圧電素子においてリーク電流が発生すると、圧電素子を用いたアクチュエーターの変位特性、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の液体噴射特性が低下するという問題がある。 In Patent Document 1, PZT is used as the piezoelectric ceramic. Currently, however, there is a demand for a liquid ejecting head using piezoelectric ceramic that does not contain lead or suppress the lead content from the viewpoint of environmental pollution. However, when a piezoelectric ceramic containing an alkali metal such as bismuth sodium titanate (BiNaTiO 3 ) (hereinafter simply referred to as BNT) is used for the piezoelectric layer of a thin film as a piezoelectric ceramic not containing lead, There is a problem in that a large leak current of 1.0 × 10 −1 A / cm 2 or more is generated due to the diffusion of the alkali metal into the electrode. On the other hand, since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic are improved by containing an alkali metal in the bulk, a piezoelectric element having such a thin film structure of the piezoelectric ceramic containing the alkali metal is desirable. In addition, when a leakage current is generated in the piezoelectric element as described above, there is a problem that the displacement characteristics of the actuator using the piezoelectric element and the liquid ejecting characteristics of the liquid ejecting head and the liquid ejecting apparatus are deteriorated.
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに限定されず、液体噴射ヘッド共通の問題である。また、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子だけではなく、例えば超音波デバイス等他のデバイスに用いられる圧電素子に共通の問題である。 Such a problem is not limited to the ink jet recording head, and is a problem common to liquid ejecting heads. Further, this is a problem common not only to piezoelectric elements used in liquid jet heads but also to piezoelectric elements used in other devices such as ultrasonic devices.
本発明はこのような事情に鑑み、鉛を含有せず、かつ1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流を抑制できる液体噴射ヘッドの製造方法及びこれを用いた液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention includes a method for manufacturing a liquid jet head that does not contain lead and can suppress a leak current of 1.0 × 10 −1 A / cm 2 or more, and a liquid jet device using the same. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a piezoelectric element.
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、第1電極と第2電極とに挟持された圧電体層を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも1種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第1電極を形成する第1電極形成工程と、前記第1電極上に、チタン、ビスマス、バリウム、カリウム及びナトリウムを含む複合酸化物からなる前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程と前記圧電体層上に、前記第2電極を形成する第2電極形成工程と、を備えることを特徴とする。 A method of manufacturing a liquid jet head according to the present invention is a method of manufacturing a liquid jet head including a piezoelectric layer sandwiched between a first electrode and a second electrode, wherein at least one of platinum or iridium is deposited by vapor deposition. A first electrode forming step of forming the first electrode including a step of forming a diffusion suppressing layer, and the piezoelectric body comprising a composite oxide containing titanium, bismuth, barium, potassium and sodium on the first electrode. A piezoelectric layer forming step of forming a layer; and a second electrode forming step of forming the second electrode on the piezoelectric layer.
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも1種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第1電極を形成する第1電極形成工程により圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第1電極に拡散されず、かつ、鉛を含まない圧電素子を形成でき、これにより1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流を抑制できる。この結果、液体噴射特性のよい液体噴射ヘッドを製造できる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a liquid jet head comprising: a first electrode forming step of forming the first electrode including a step of forming a diffusion suppression layer including at least one of platinum and iridium by vapor deposition; Since the diffusion suppression layer that suppresses the diffusion of the alkali metal can be formed, a piezoelectric element in which the alkali metal is not diffused into the first electrode and does not contain lead can be formed, whereby 1.0 × 10 −1. A leakage current of A / cm 2 or more can be suppressed. As a result, a liquid ejecting head having good liquid ejecting characteristics can be manufactured.
前記第1電極形成工程は、スパッタリング法により第1電極層を形成し、その後該第1電極層上に蒸着法により前記拡散抑制層を形成することを特徴とすることが好ましい。このように構成することで、密着性がよいと共にリーク電流を抑制できる第1電極を形成できる。 In the first electrode forming step, it is preferable that the first electrode layer is formed by a sputtering method, and then the diffusion suppression layer is formed on the first electrode layer by an evaporation method. By comprising in this way, the 1st electrode which has favorable adhesiveness and can suppress a leakage current can be formed.
前記拡散抑制層を、厚さが40nm以上となるように形成することが好ましい。この厚さであることで、よりリーク電流を抑制できる。 The diffusion suppressing layer is preferably formed so as to have a thickness of 40 nm or more. With this thickness, the leakage current can be further suppressed.
本発明の好ましい実施形態としては、前記圧電体層形成工程は、前記第1電極上に圧電体前駆体膜を形成し、該圧電体前駆体膜を焼成することで結晶化した圧電体膜を形成して該圧電体膜を有する圧電体層を形成することが挙げられる。 As a preferred embodiment of the present invention, in the piezoelectric layer forming step, a piezoelectric precursor film is formed on the first electrode, and the piezoelectric precursor film crystallized by firing the piezoelectric precursor film is formed. Forming a piezoelectric layer having the piezoelectric film.
本発明の液体噴射装置は、前記した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。上述した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えることで、液体噴射特性が低下することが抑制される。 According to another aspect of the invention, a liquid ejecting apparatus includes the liquid ejecting head manufactured by the method of manufacturing a liquid ejecting head. By including the liquid ejecting head manufactured by the above-described liquid ejecting head manufacturing method, it is possible to prevent the liquid ejecting characteristics from being deteriorated.
本発明の圧電素子の製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも1種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む第1電極を形成する第1電極形成工程と、前記第1電極上に、チタン、ビスマス、バリウム、カリウム、ナトリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、前記第2電極を形成する第2電極形成工程と、を備えることを特徴とする。本発明の圧電素子の製造方法では、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも1種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第1電極を形成する第1電極形成工程により鉛を含有しない圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第1電極に拡散されず、これにより1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流を抑制できる。 The piezoelectric element manufacturing method of the present invention includes a first electrode forming step of forming a first electrode including a step of forming a diffusion suppression layer containing at least one kind of platinum or iridium by vapor deposition, and on the first electrode. A piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer made of a composite oxide containing titanium, bismuth, barium, potassium, and sodium; and a second electrode forming step of forming the second electrode on the piezoelectric layer; It is characterized by providing. In the piezoelectric element manufacturing method of the present invention, a lead-free piezoelectric body is formed by the first electrode forming step of forming the first electrode including the step of forming a diffusion suppression layer containing at least one kind of platinum or iridium by vapor deposition. Since the diffusion suppressing layer that suppresses the diffusion of alkali metal from the layer can be formed, the alkali metal is not diffused to the first electrode, thereby causing a leakage current of 1.0 × 10 −1 A / cm 2 or more. Can be suppressed.
(液体噴射ヘッド)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′線断面図である。
(Liquid jet head)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and its AA ′ line. It is sectional drawing.
図1及び図2に示すように、本実施形態の流路形成基板10の一方面には弾性膜50が形成されている。流路形成基板10は、例えばシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のリザーバー部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバー100の一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
また、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とは反対側の端部近傍に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によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
Further, on the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜50が形成されている。弾性膜50としては、例えば二酸化シリコン膜が挙げられる。この弾性膜50上には、第1電極60と、厚さが10μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜の圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。第1電極60は、詳しくは後述するように少なくとも圧電体層70との界面が蒸着法により形成された蒸着膜からなる。また、第1電極60と弾性膜50との間には、密着層61が形成されている。密着層61としては、第1電極60と弾性膜50との密着力を向上させるものであれば、特に限定されず、例えば、厚さが10〜50nmのチタン(Ti)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)及びタングステン(W)からなる群から選択される少なくとも一つの元素を主成分とするものが挙げられ、本実施形態ではチタニア(TiO2)である。このように第1電極60と弾性膜50との間に密着層61を設けることによって、弾性膜50と第1電極60との密着力を高めることができる。
On the other hand, the
ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、変位可能に設けられた圧電素子300をアクチュエーター装置と称する。
Here, the
第1電極60上に形成される圧電体層70は、チタン(Ti)、ビスマス(Bi)、バリウム(Ba)、カリウム(K)及びナトリウム(Na)を含む複合酸化物である。このような圧電体層70としては、例えば、チタン酸ビスマスナトリウム(例えば(Bi,Na)TiO3、以下BNTと称す)、チタン酸ビスマスカリウム(例えば(Bi,K)TiO3、以下BKTと称す))、チタン酸バリウム(例えばBaTiO3、以下BTと称す)を含有するペロブスカイト構造を有する複合酸化物であり、固溶体であるものが挙げられる。本実施形態では、このように鉛を有さない圧電セラミックスを有している。
The
この複合酸化物は、組成比が例えば、下記一般式(1)で表される組成比であることが好ましく、さらに好ましくは、一般式(1)において、0.6≦x≦0.8や0<y≦0.1である。なお、[(Bia,Na1−a)TiO3]:[(Bib,K1−b)TiO3]=x:1−x(モル比)であり、[(Bia,Na1−a)TiO3]と[(Bib,K1−b)TiO3]の総量:[BaTiO3]=1:y(モル比)である。
{x[(Bia,Na1-a)TiO3]-(1-x)[(Bib,K1-b)TiO3]}-y[BaTiO3] (1)
(0.4<a<0.6,0.4<b≦0.6,0.5≦x≦0.9,0<y≦0.2)
This composite oxide preferably has a composition ratio represented by, for example, the following general formula (1), and more preferably in the general formula (1), 0.6 ≦ x ≦ 0.8 0 <y ≦ 0.1. Incidentally, [(Bi a, Na 1 -a) TiO 3]: [(Bi b, K 1-b) TiO 3] = x: a 1-x (molar ratio), [(Bi a, Na 1- a ) Total amount of TiO 3 ] and [( B i b , K 1-b ) TiO 3 ]: [BaTiO 3 ] = 1: y (molar ratio).
{x [(Bi a, Na 1-a) TiO 3] - (1-x) [(Bi b, K 1-b) TiO 3]} - y [BaTiO 3] (1)
(0.4 <a <0.6, 0.4 <b ≦ 0.6, 0.5 ≦ x ≦ 0.9, 0 <y ≦ 0.2)
本実施形態では、圧電体層70は詳しくは後述する製造工程において、例えばBNT:BKT:BT=80:20:3である前駆体溶液を用いて上記範囲に組成が含まれる複合酸化物を形成している。
In the present embodiment, the
このような複合酸化物からなる圧電体層70を備える圧電素子300は、本実施形態では、圧電体層70がBNT、BKT及びBTを含むので、低い電圧で駆動することができ、圧電特性が高い。
In this embodiment, the
圧電体層70は厚さ0.5〜1.5μmの薄膜であり、本実施形態では後述するようにゾル−ゲル法により複数の圧電体前駆体膜を積層し加熱して形成されている。
The
第1電極60は、後述する製造方法において詳細に説明するが、第1電極層63と、第1電極層63上に即ち圧電体層70との界面に蒸着法により形成され、電極としても機能する拡散抑制層62とからなる。このように第1電極60が圧電体層70との界面に拡散抑制層62を有することで、圧電体層70に含まれるBNTとBKTとに含まれるアルカリ金属、即ちNaやKが加熱時に第1電極60中に拡散するのを抑制し、1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流を抑制している。即ち、拡散抑制層62は、圧電体層70のアルカリ金属の拡散を抑制すると共に、第1電極60の一部を構成して電極としても機能するものである。
The
このような第1電極層63の厚さは、30〜80nm、好ましくは40〜80nmであり、かつ、拡散抑制層62の厚さが20〜150nm、好ましくは40〜150nmであることが挙げられる。また、第1電極60は少なくとも拡散抑制層62を有していればよく、拡散抑制層62のみからなるものであってもよい。
The thickness of the
このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、弾性膜50上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
Each
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜50及びリード電極90上には、リザーバー100の少なくとも一部を構成するリザーバー部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このリザーバー部31は、本実施形態では、保護基板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ー100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバー部31のみをリザーバー100としてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50)にリザーバー100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
On the flow
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
A piezoelectric
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等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。
As such a
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
The
また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
A
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってリザーバー部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のリザーバー100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバー100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
In addition, a
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー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、駆動回路120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第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the
(液体噴射ヘッドの製造方法)
図3〜図5を用いて本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。図3〜図5は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
(Manufacturing method of liquid jet head)
A method of manufacturing the ink jet recording head of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 5 are cross-sectional views showing a method for manufacturing the ink jet recording head of this embodiment.
まず、図3(a)に示すように、流路形成基板10が複数一体的に形成されるシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する酸化膜51を形成する。この酸化膜51の形成方法は特に限定されないが、本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を熱酸化し、その表面に弾性膜50となる酸化膜51を形成している。
First, as shown in FIG. 3A, an
そして、図3(b)に示すように、酸化膜51上に密着層61を形成する。密着層61の形成方法は特に限定されないが、スパッタリング法や、CVD法等に形成することができる。
Then, as shown in FIG. 3B, an
次いで、図3(c)に示すように、密着層61上にプラチナ(Pt)からなり厚さが50〜500nmの第1電極60を形成し、この第1電極60及び密着層61を所定形状にパターニングする。第1電極60は、第1電極層63と、拡散抑制層62とからなる。第1電極層63の形成方法は、特に限定されずDCスパッタリング法等のスパッタリング法やレーザービーム蒸着等の蒸着法等により形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a
拡散抑制層62の形成方法は、蒸着法である。即ち、厚さ0.5〜1.5μmの薄膜の圧電体層70を形成する際に加熱を行うと、この複合酸化物中に存在するアルカリ金属、即ちNaやKが第1電極60側へ拡散してしまい、これにより圧電素子の駆動電圧領域(25〜30V付近)において1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が発生しやすく、またAサイトに空孔が形成されてしまうことで圧電体層70の圧電特性が低下したりするのでこれを抑制する必要がある。このため、本実施形態では、これを抑制すべく第1電極60の表面に蒸着法により形成した拡散抑制層62を設けている。これにより、アルカリ金属の第1電極60への拡散を抑制している。
The formation method of the
ここで、蒸着法とは、本実施形態では、イオンビーム蒸着法やフラッシュ蒸着法のような蒸発物質を高温加熱により蒸発させて成膜を行う真空蒸着法を意味し、スパッタリング法等の物質をスパッタリングして成膜を行う物理蒸着法や熱CVD法等の化学気相反応により成膜を行う化学蒸着法は除かれる。本実施形態では、蒸着法のうち、イオンビーム蒸着法を用いて形成した。このイオンビーム蒸着法によれば、第1電極60へのアルカリ金属の拡散をより抑制することができるからである。
Here, in this embodiment, the vapor deposition method means a vacuum vapor deposition method in which an evaporation substance such as an ion beam vapor deposition method or a flash vapor deposition method is evaporated by high-temperature heating to form a film. The chemical vapor deposition method for forming a film by chemical vapor phase reaction such as physical vapor deposition method or thermal CVD method for forming a film by sputtering is excluded. In this embodiment, it formed using the ion beam vapor deposition method among vapor deposition methods. This is because according to this ion beam evaporation method, the diffusion of alkali metal into the
本実施形態では、第1電極60は、第1電極層63をスパッタリング法により形成し、拡散抑制層62を蒸着法により形成して構成した。このようにスパッタリング法により第1電極層63を形成することで、密着層61と第1電極層63との密着性が向上すると共に、蒸着法により拡散抑制層62を形成することで、第1電極60中にアルカリ金属が拡散しにくく、1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流を抑制しうる。なお、第1電極層63を形成するスパッタリング法の条件は特に限定されるものではないが、例えば、成膜温度:300℃、成膜圧力:0.4Pa、DCパワー密度:1.2W/cm2が挙げられる。
In the present embodiment, the
拡散抑制層62を形成する蒸着法の条件は、例えばイオンビーム蒸着法に基づくものであれば、成膜装置のヒーターにおける温度:室温(25℃程度)〜300℃、ビーム電流:350mA〜450mA、チャンバー内圧力(1.0×10―4〜1.10×10―5Pa)である。このような範囲としたのは、以下のような理由による。即ち、成膜装置のヒーターにおける温度が300℃を超えると、下電極の膜密度が低下してしまうからである。また、ビーム電流が350mAよりも低いと膜形成ができず、また、450mAを越えると異物が付着しやすいからである。さらにまた、チャンバー内圧力がこの範囲にないと、膜質が劣化しやすいからである。
If the conditions of the vapor deposition method for forming the
このような第1電極層63及び拡散抑制層62からなる第1電極60は、プラチナ(Pt)、イリジウム(Ir)、又は酸化イリジウムから選ばれた少なくとも1種からなる。例えば、スパッタ法により形成されたプラチナからなる第1電極層63上に、蒸着法により形成されたプラチナからなる拡散抑制層62を形成してもよいし、また、スパッタリング法により形成されたプラチナからなる第1電極層63上に、蒸着法により形成されたイリジウムからなる拡散抑制層62を形成してもよい。
The
また、拡散抑制層62の膜厚が40nm以上であることが好ましい。膜厚が40nm以上であれば、十分に圧電素子の駆動電圧領域において1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が発生することを抑制できるからである。第1電極層63は、その形成方法は限定されず、本実施形態では例えばスパッタリング法により形成されている。第1電極層63の厚さは特に限定されないが、例えば30〜80nmである。
Moreover, it is preferable that the film thickness of the
上述したパターニングとしては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。 Examples of the patterning described above include dry etching such as reactive ion etching and ion milling.
次いで、BNTとBKTとBTとを含有する複合酸化物である圧電体層70を形成する。圧電体層70の製造方法は、例えば、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やスパッタリング法等が挙げられる。本実施形態ではゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。これは、後述する本実施形態のゾルを用いてゾル−ゲル法で圧電体層70を形成することで、圧電体層70にクラックが発生することを抑制でき、かつ、コストを低減させることができるからである。
Next, a
具体的な方法について以下説明する。第1電極60が形成された流路形成基板10上にBNTとBKTとBTとを含むゾルを塗布し、圧電体前駆体膜とする(塗布工程)。BNTとBKTとBTとを含むゾルは、組成比がBNT:BKT:BT=x:y:z(モル比)の場合、例えば50≦x≦90、10≦y≦50、0<z≦3である。圧電体前駆体膜は、本実施形態では、1.0〜2.0μm、好ましくは1.5〜2.0μmである。
A specific method will be described below. A sol containing BNT, BKT, and BT is applied onto the flow
次いで、所定温度に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。例えば、本実施形態では、150〜180℃で2〜10分間保持することで乾燥させている。 Subsequently, it heats to predetermined temperature and is made to dry for a fixed time (drying process). For example, in this embodiment, it is made to dry by hold | maintaining at 150-180 degreeC for 2 to 10 minutes.
次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜を300〜450℃程度の温度に加熱して約2〜10分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程をこの順で複数回繰り返した後に、圧電体前駆体膜を赤外線加熱装置によって所定温度(750〜850℃程度)に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する(焼成工程)。 Next, the dried piezoelectric precursor film is degreased by heating to a predetermined temperature and holding for a certain time (degreasing step). For example, in this embodiment, the piezoelectric precursor film was degreased by heating to a temperature of about 300 to 450 ° C. and holding for about 2 to 10 minutes. Here, degreasing refers, the organic components contained in the piezoelectric precursor film, for example, is to be detached as NO 2, CO 2, H 2 O or the like. After repeating the coating step, the drying step and the degreasing step a plurality of times in this order, the piezoelectric precursor film is heated to a predetermined temperature (about 750 to 850 ° C.) by an infrared heating device and is crystallized by holding it for a certain period of time. To form a piezoelectric film (firing step).
これらの塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことにより複数層の圧電体膜からなり、BNTとBKTとBTとを含む複合酸化物からなる圧電体層70を形成する。また、第2電極80の形成前後に必要に応じて、600℃〜800℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。
A piezoelectric film made of a complex oxide including BNT, BKT, and BT is formed by repeating a piezoelectric film forming process including a coating process, a drying process, a degreasing process, and a baking process a plurality of times.
次に、図4(a)に示すように、圧電体層70上に亘って、第2電極80を形成する。そして、その後図4(b)に示すように、圧電体層70及び第2電極80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子300を形成する。圧電体層70及び第2電極80のパターニングとしては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。
Next, as shown in FIG. 4A, the
次に、リード電極90を形成する。具体的には、図4(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングすることで形成される。
Next, the
次に、図5(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合する。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。
Next, as shown in FIG. 5B, the flow path forming
次いで、図5(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, a
その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、図1に示すように本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。
Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
実施例1にかかるサンプル1を以下の要領で作製した。
はじめに、単結晶シリコン基板を熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜50を厚さ1300nmで形成した。得られた弾性膜50上にチタニアからなる密着層をスパッタリング法により厚さ40nmとなるように形成した。
Sample 1 according to Example 1 was produced as follows.
First, a single crystal silicon substrate was thermally oxidized to form an
次いで、DCスパッタリング法によりプラチナからなる第1電極層63を成膜温度:330℃、DCパワー密度:1.2W/cm2の成膜条件で厚さ30nmとなるように形成した。次いで、イオンビーム蒸着法により、プラチナからなる拡散抑制層62を厚さ100nmとなるように形成した。蒸着法の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであった。
Next, the
その後、スピンコート法によりBNTとBKTとBTとを含むゾルを500rpmで10秒間、次いで2500rpmで30秒間スピンコートを行い塗布し、所望の膜厚(0.5μm)の圧電体前駆体膜を形成した。BNTとBKTとBTとを含むゾルは、組成比がBNT:BKT:BT=80:20:3であった。 After that, a sol containing BNT, BKT, and BT is applied by spin coating at 500 rpm for 10 seconds and then at 2500 rpm for 30 seconds to form a piezoelectric precursor film having a desired film thickness (0.5 μm). did. The sol containing BNT, BKT, and BT had a composition ratio of BNT: BKT: BT = 80: 20: 3.
その後、400℃で3分間乾燥工程を行い、次いで400℃で3分間脱脂工程を行った。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程をこの順で3回繰り返した後に、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置により酸素ガスを5L/分で導入しながら750℃で3分間焼成を行った。これらの圧電体膜形成工程を2回繰り返した後に、再度RTA装置により酸素ガスを5L/分で750℃で3分間焼成を行い、圧電体層70を得た。
Then, the drying process was performed at 400 degreeC for 3 minutes, and the degreasing process was then performed at 400 degreeC for 3 minutes. After repeating the coating step, the drying step and the degreasing step three times in this order, baking was carried out at 750 ° C. for 3 minutes while introducing oxygen gas at 5 L / min with an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus. After these piezoelectric film forming steps were repeated twice, oxygen gas was baked again at 5 L / min at 750 ° C. for 3 minutes using the RTA apparatus to obtain the
次いで、圧電体層70上に、スパッタリング法によりプラチナからなる第2電極80を厚さが100nmとなるように形成した。これにより、圧電素子300を形成しサンプル1とした。
Next, a
(比較例1)
実施例1とは、拡散抑制層62は設けなかった点以外は全て同一条件で圧電素子300を形成し、比較例1にかかるサンプル2とした。
(Comparative Example 1)
The
比較例1とは、第1電極層63上に蒸着法によりプラチナからなる拡散抑制層62の膜厚を40nmとなるように形成した点以外は同一の条件で作製した。なお、実施例2における拡散抑制層62の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであり、比較例1とは成膜時間を変更した。
Comparative Example 1 was manufactured under the same conditions except that the
実施例2とは拡散抑制層62の膜厚を60nmとなるように形成した点以外は同一の条件で作製した。なお、実施例3における拡散抑制層62の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであり、実施例2とは成膜時間を変更した。
It was manufactured under the same conditions as in Example 2 except that the film thickness of the
実施例1とは第1電極層63上に蒸着法によりイリジウムからなる拡散抑制層62を厚さ20nmとなるように形成した点以外は同一の条件で作製した。なお、実施例4における拡散抑制層62の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであり、実施例1とは成膜時間を変更した。
Example 1 was produced under the same conditions as in Example 1 except that a
実施例4とは拡散抑制層62の膜厚を40nmとなるように形成した点以外は同一の条件で作製した。なお、実施例5における拡散抑制層62の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであり、実施例4とは成膜時間を変更した。
It was manufactured under the same conditions as Example 4 except that the film thickness of the
実施例4とは拡散抑制層62の膜厚を60nmとなるように形成した点以外は同一の条件で作製した。なお、実施例6における拡散抑制層62の成膜条件は、ヒーター温度:25℃、ビーム電流:400mA、チャンバー内圧力:1.0×10―5Paであり、実施例4とは成膜時間を変更した。
It was manufactured under the same conditions as Example 4 except that the film thickness of the
これらの得られた実施例1〜6及び比較例1にかかるサンプルに対して、印加電圧に対する電流密度を測定した。 For these obtained samples according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, the current density with respect to the applied voltage was measured.
実施例1、比較例1の結果を図6に示す。図6に示すように拡散抑制層62を設けなかったサンプル2の場合には−30V付近において1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が発生した。拡散抑制層62を設けたサンプル1の場合には、拡散抑制層62を設けていない比較例1に比べて、どの電圧領域においてもリーク電流が抑制され、かつ、駆動電圧領域(20〜30V程度)において1.0×10―5A/cm2以下のリーク電流であった。
The results of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the case of Sample 2 in which the
比較例1、実施例2、3の結果を図7に示す。拡散抑制層62を設けなかった比較例1の場合には、上述のように―30V付近において1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が発生したところ、実施例2、3については拡散抑制層62を設けていない比較例1に比べて、どの電圧領域においても1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が抑制され、1.0×10―2A/cm2以下のリーク電流であった。
The results of Comparative Example 1 and Examples 2 and 3 are shown in FIG. In the case of Comparative Example 1 in which the
比較例1、実施例4、5、6の結果を図8に示す。拡散抑制層62を設けなかった比較例1の場合には、上述のように−30V付近において1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が発生したところ、実施例4、5、6については拡散抑制層62を設けていない比較例1に比べて、どの電圧領域においても1.0×10―1A/cm2以上のリーク電流が抑制され、1.0×10―2A/cm2以下のリーク電流であった。
The results of Comparative Example 1, Examples 4, 5, and 6 are shown in FIG. In the case of Comparative Example 1 in which the
従って、本実施形態によれば、蒸着法により拡散抑制層62を形成することで、リーク電流を抑制することができた。また、図7及び図8の結果から、拡散抑制層62が厚いほどリーク電流を抑制しやすいことが分かった。
Therefore, according to the present embodiment, the leakage current can be suppressed by forming the
(インクジェット式記録装置)
図9に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、本実施形態の製造方法で得られたインクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体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。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
(Inkjet recording device)
In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 9, the
そして、駆動モーター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、記録ヘッドユニット1A及び1B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。一方、装置本体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ー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the
インクジェット式記録ヘッドIの構成は、上述した実施形態に限定されない。例えば、弾性膜50上に絶縁膜としての酸化イリジウム膜等が形成されていてもよい。
The configuration of the ink jet recording head I is not limited to the above-described embodiment. For example, an iridium oxide film or the like as an insulating film may be formed on the
また、本実施形態においては第1電極層63と拡散抑制層62とを別々に形成したが、圧電体層70からのアルカリ金属の第1電極60への拡散を抑制するためには、少なくとも圧電体層70との界面に拡散抑制層62が形成されていればよく、例えば、第1電極60が拡散抑制層62から構成されていてもよい。
In the present embodiment, the
上述した実施形態では、基板(流路形成基板10)上に第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を順次積層した圧電素子300を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。
In the above-described embodiment, the
なお、上述した実施形態では、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を挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)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が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
本発明の圧電材料は、良好な圧電特性を示すため、上述したように、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドの圧電素子に適用することができるものであるが、これに限定されるものではない。例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス、並びに赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー及び焦電センサー等の各種センサー等の圧電素子に適用することができる。また、本発明は、強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。 The piezoelectric material of the present invention can be applied to a piezoelectric element of a liquid jet head typified by an ink jet recording head as described above in order to exhibit good piezoelectric characteristics, but is not limited thereto. It is not a thing. For example, it can be applied to an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a piezoelectric transformer, and piezoelectric elements such as various sensors such as an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, and a pyroelectric sensor. . Further, the present invention can be similarly applied to a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 リザーバー部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 第1電極、 61 密着層、 62 拡散抑制層、 63 第1電極層、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 リザーバー、 120 駆動回路、 121 接続配線、 300 圧電素子 I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 Protection substrate, 31 Reservoir part, 32 Piezoelectric element holding part, 40 Compliance substrate, 60 First electrode, 61 Adhesion layer, 62 Diffusion suppression layer, 63 First electrode layer, 70 Piezoelectric layer, 80 Second electrode, 90 Lead Electrode, 100 reservoir, 120 drive circuit, 121 connection wiring, 300 piezoelectric element
Claims (6)
蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも1種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第1電極を形成する第1電極形成工程と、
前記第1電極上に、チタン、ビスマス、バリウム、カリウム及びナトリウムを含む複合酸化物からなる前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程と
前記圧電体層上に、前記第2電極を形成する第2電極形成工程と、
を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 A method of manufacturing a liquid jet head including a piezoelectric layer sandwiched between a first electrode and a second electrode,
A first electrode forming step of forming the first electrode including a step of forming a diffusion suppression layer containing at least one of platinum or iridium by a vapor deposition method;
Forming a piezoelectric layer made of a composite oxide containing titanium, bismuth, barium, potassium and sodium on the first electrode; and forming the second electrode on the piezoelectric layer. A second electrode forming step;
A method of manufacturing a liquid jet head, comprising:
前記第1電極上に、チタン、ビスマス、バリウム、カリウム、ナトリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
前記圧電体層上に、前記第2電極を形成する第2電極形成工程と、
を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
A first electrode forming step of forming a first electrode including a step of forming a diffusion suppression layer containing at least one of platinum or iridium by a vapor deposition method;
Forming a piezoelectric layer comprising a composite oxide containing titanium, bismuth, barium, potassium, and sodium on the first electrode; and
A second electrode forming step of forming the second electrode on the piezoelectric layer;
A method for manufacturing a piezoelectric element, comprising:
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