JP2004047814A - Piezoelectric element and its fabricating process - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッド等の駆動素子として用いられる圧電体素子及びその製造方法に係る。また、上記の圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッド等の液体吐出ヘッド及びプリンタ等の液体吐出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液体吐出ヘッドなどに用いられる圧電体素子は、上部電極及び下部電極に挟まれたPZTなどの圧電体膜を備えている。この圧電体膜は、主として製膜の容易さの点から多結晶体として製造されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多結晶体の圧電体膜には粒界が存在するため、絶縁性が低くなる場合があった。また、十分な圧電特性を得ることが難しかった。そのため、薄膜化するには限界があり、液体吐出ヘッドを製造する際の圧電体素子の密度を高めることには限界があった。
【0004】
本発明は、薄膜化しても高い絶縁性及び十分な圧電特性を得ることができ、液体吐出ヘッドの高密度化が可能な圧電体素子を提供することを目的とする。また、かかる圧電体素子の製造方法、圧電体素子を備えた液体吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、上部電極及び下部電極に挟まれてなる圧電体薄膜を備えた圧電体素子の製造方法であって、下部電極上に圧電体前駆体膜を所定の形状にパターン形成する工程と、前記パターン形成された圧電体前駆体膜を結晶化させ圧電体薄膜を得る工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備えている。
【0006】
上記製造方法において、前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、前記下部電極上に圧電体前駆体膜を均一に形成した後、当該圧電体前駆体膜を所定パターンにエッチングすることで行うことが望ましい。また、前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、前記下部電極上に、前記圧電体前駆体の成分を含有するゾルをインクジェット法によってパターン形成し、ゲル化させることで行ってもよい。
【0007】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、基板の一面に振動板を形成する工程と、前記振動板上に上記の製造方法により前記圧電体素子を形成する工程と、前記基板をエッチングし圧力室を形成する工程と、を備えている。
【0008】
上記製造方法において、前記液体吐出ヘッドは複数の圧電体素子を備え、前記圧電体素子の形成工程における前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、個々の液体吐出ヘッド内の複数の圧電体素子を形成するための圧電体薄膜が一体となるようにパターニングすることが望ましい。
【0009】
本発明の圧電体素子は、下部電極上に圧電体薄膜及び上部電極を順次形成した圧電体素子であって、前記圧電体薄膜は、断面周囲長が2000nm以上の結晶粒を備えていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の圧電体素子は、下部電極上に圧電体薄膜及び上部電極を順次形成した圧電体素子であって、前記圧電体薄膜は、結晶粒密度が4×109[個/m2]以下であることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の圧電体素子は、下部電極上に圧電体薄膜及び上部電極を順次形成した圧電体素子であって、前記圧電体薄膜は、単結晶で形成されたことを特徴とする。
【0012】
本発明の液体吐出ヘッドは、上記の圧電体素子と、当該圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口とを備えている。
【0013】
本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【0015】
(インクジェットプリンタの全体構成)
図1は、本実施形態の圧電体素子及び液体吐出ヘッドが使用される液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体2に、トレイ3、排出口4および操作ボタン9が設けられている。さらに本体2の内部には、液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド1、給紙機構6、制御回路8が備えられている。
【0016】
インクジェット式記録ヘッド1は、本発明の製造方法で製造された圧電体素子を備えている。インクジェット式記録ヘッド1は、制御回路8から供給される吐出信号に対応して、ノズルから液体であるインクを吐出可能に構成されている。
【0017】
本体2は、プリンタの筐体であって、用紙5をトレイ3から供給可能な位置に給紙機構6を配置し、用紙5に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド1を配置している。トレイ3は、印字前の用紙5を給紙機構6により供給可能に構成され、排出口4は、印刷が終了した用紙5を排出する出口である。
【0018】
給紙機構6は、モータ600、ローラ601・602、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ600は、制御回路8から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ600の回転力をローラ601・602に伝達可能に構成されている。ローラ601および602は、モータ600の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ3に載置された用紙5を引き込み、ヘッド1によって印刷可能に供給するようになっている。
【0019】
制御回路8は、図示しないCPU、ROM、RAM、インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を給紙機構6に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド1に供給したりできるようになっている。また、制御回路8は操作パネル9からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。
【0020】
(インクジェット式記録ヘッドの構成)
図2は、本実施形態の液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド1は、図に示すように、ノズル板10、圧力室基板20および振動板30を備えて構成されている。このヘッドは、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【0021】
圧力室基板20は、キャビティ(圧力室)21、側壁(隔壁)22、リザーバ23および供給口24を備えている。キャビティ21は、シリコン等の基板をエッチングすることにより形成されたインクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁22はキャビティ21間を仕切るよう形成されている。リザーバ23は、インクを各キャビティ21に供給口24を介して供給するための共通の流路となっている。なおキャビティ21などの形状はインクジェット方式によって種々に変形可能である。例えば平面的な形状のカイザー(Kyser)形であっても円筒形のゾルタン(Zoltan)形でもよい。またキャビティが1室形用に構成されていても2室形に構成されていてもよい。
【0022】
ノズル板10は、圧力室基板20に設けられたキャビティ21の各々に対応する位置にノズル11が配置されるよう、圧力室基板20の一方の面に貼り合わせられ、また、振動板30は圧力室基板20の他方の面に形成されている。ノズル板10、圧力室基板20及び振動板30よりなるヘッドユニットは、筐体25に納められて、インクジェット式記録ヘッド1を構成している。
【0023】
振動板30には圧電体素子40(図3参照)が設けられている。振動板30には、インクタンク接続口(図示せず)が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板20のリザーバ23に供給可能になっている。
【0024】
(層構造)
図3に、上記インクジェット式記録ヘッドおよび圧電体素子のさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧電体素子の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板30は、絶縁膜31および下部電極32を積層して構成され、圧電体素子40は圧電体膜41、上部電極42および下部電極32を積層して構成されている。特にこのインクジェット式記録ヘッド1は、圧電体素子40、キャビティ21およびノズル11が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能である。例えば400dpi(dot per inch)になるように配置される。
【0025】
絶縁膜31は、導電性でない材料、例えばシリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素(SiO2)により構成され、圧電体膜層の変形により変形し、キャビティ21の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。
【0026】
絶縁膜31上には下部電極32を形成するが、絶縁膜31と下部電極32との間に、20nm程度のチタン又は酸化チタンの膜(密着層)を形成しても良い。
【0027】
下部電極32は、圧電体膜層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金(Pt)などにより構成されている。なお、下部電極32はこれに限らず、白金と同じFCC構造を有する金属であるイリジウム(Ir)で構成しても良い。下部電極32は、圧力室基板20上に形成される複数の圧電体素子に共通な電極として機能するように絶縁膜31と同じ領域に形成される。ただし、圧電体膜41と同様の大きさに、すなわち上部電極と同じ形状に形成することも可能である。
【0028】
上部電極42は、圧電体膜層に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有する材料、例えば膜厚0.1μmの白金(Pt)又はイリジウム(Ir)で構成されている。
【0029】
圧電体膜41は、本発明の製造方法で製造された例えばペロブスカイト構造を持つ圧電性セラミックスの結晶であり、振動板30上に所定の形状で形成されて構成されている。
【0030】
圧電体膜41の組成は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr0 . 56、Ti0 . 44)O3:PZT)等の圧電性セラミックスを用いる。その他、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3)またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、ジルコニウム酸チタン酸バリウム(Ba(Zr、Ti)O3:BZT)、チタン酸バリウム(BT)などでもよい。
【0031】
(印刷動作)
上記インクジェット式記録ヘッド1の構成において、印刷動作を説明する。制御回路8から駆動信号が出力されると、給紙機構6が動作し用紙5がヘッド1によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路8から吐出信号が供給されず圧電体素子40の下部電極32と上部電極42との間に駆動電圧が印加されていない場合、圧電体膜41には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子40が設けられているキャビティ21には、圧力変化が生じず、そのノズル11からインク滴は吐出されない。
【0032】
一方、制御回路8から吐出信号が供給され圧電体素子40の下部電極32と上部電極42との間に一定の駆動電圧が印加された場合、圧電体膜41に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子40が設けられているキャビティ21ではその振動板30が大きくたわむ。このためキャビティ21内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル11からインク滴が吐出される。ヘッド中で画像データに対応した位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【0033】
(製造方法)
次に、この実施形態による圧電体素子の製造方法を、インクジェット式記録ヘッドの製造方法と併せて説明する。図4及び図5は、上記圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【0034】
絶縁膜形成工程(S1)
絶縁膜形成工程は、圧力室基板20となるシリコン基板に絶縁膜31を形成する工程である。シリコン基板は、例えば厚み200μm、直径10cm程度のものを使用し、この基板20上に図2のようなインクジェット式記録ヘッドを複数形成する。絶縁膜31は例えば1μm程度の厚みに形成する。絶縁膜の製造には公知の熱酸化法等を用い、二酸化珪素の膜を形成する。なお、絶縁膜31の上に、好ましくは厚さ5nm〜40nm、更に好ましくは20nm程度のチタン膜又は酸化チタン膜(密着層:図示せず)を更に形成しても良い。この密着層は、絶縁膜31と下部電極32との密着性を向上させる。
【0035】
下部電極形成工程(S2)
この下部電極形成工程は、絶縁膜31又は密着層の上に下部電極32を形成する工程である。下部電極32は、例えば白金又はイリジウムを200nmの厚みで積層する。これらの層の製造は公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いる。
【0036】
更に、白金膜上に、チタン(Ti)の種層を好ましくは3nm〜25nm、更に好ましくは5nmの厚みで形成する。このチタン種層の形成には、例えば公知の直流スパッタ法等を用いる。この種層は一様の厚みで形成するが、場合によって島状となっても構わない。
【0037】
この実施形態では下部電極32を基板全面に形成しているが、これに限らず、下部電極を所定形状にパターニングしてから以下の圧電体膜形成を行なってもよい。下部電極をパターニングすることにより、基板の反りが一層軽減される。
【0038】
圧電体前駆体膜の形成(S3)
次に、下部電極32上に圧電体前駆体膜41’を成膜する。圧電体前駆体膜は、後述の処理で結晶化されて圧電体膜41となる以前の、非晶質膜として構成される。本実施例ではチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の前駆体膜をゾル・ゲル法で成膜する。なお、PZTの成膜方法はゾル・ゲル法に限定されるわけではなく、MOD(Metal−Organic Deposition)法等であってもよい。
【0039】
ゾル・ゲル法とは、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させるものである。具体的には、まず、基板上に金属有機化合物を含む溶液(ゾル)を塗布し、乾燥させる(S3)。用いられる金属有機化合物としては、無機酸化物を構成する金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化合物等が挙げられる。硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸塩等の無機塩でも良い。
【0040】
この混合溶液を、下部電極上に例えば20nmの厚さに塗布する。塗布した段階では、PZTを構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。
【0041】
塗布後、一定温度で一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させる。例えば、乾燥温度は例えば150℃以上200℃以下に設定する。好ましくは、180℃で乾燥させる。乾燥時間は例えば5分以上15分以下にする。好ましくは10分程度乾燥させる。
【0042】
乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度で一定時間脱脂する。脱脂温度は、400℃以上600℃以下の範囲が好ましい。この範囲より高い温度では結晶化が始まってしまい、この範囲より低い温度では、十分な脱脂が行えないからである。好ましくは450℃〜550℃程度に設定する。脱脂時間は、例えば5分以上90分以下にする。この範囲より長い時間では結晶化が始まってしまい、この範囲より短い時間では十分に脱脂されないからである。好ましくは10分程度脱脂させる。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ、大気中に飛散する。以上の工程により、圧電体前駆体膜41’が形成される。
【0043】
圧電体前駆体膜のパターニング(S4)
次に、圧電体前駆体膜41’を、個々のインクジェット式記録ヘッドを構成するための所定形状にパターニングする。具体的方法としては、例えば圧電体前駆体膜41’上にレジストを塗布し、圧電体素子の形成位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして圧電体前駆体膜41’をイオンミリング等でエッチングする。
【0044】
圧電体前駆体膜41’をパターン形成する方法は、S3、S4に示す方法に限らず、圧電体前駆体の構成成分を含有する金属有機化合物のゾルをインクジェット法により所定パターンに塗布する方法でもよい。塗布後に乾燥及び脱脂を行うことにより、圧電体前駆体膜41’が形成される。
【0045】
結晶化工程(S5)
上記の工程によって得られた圧電体前駆体膜41’を加熱処理することによって結晶化させ、圧電体膜41を形成する。焼結温度は材料により異なるが、例えば650℃で5分から30分間加熱を行う。加熱装置としては、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置、拡散炉等を使用することができる。
【0046】
この結晶化により、圧電体膜41が形成される。特に本実施形態の方法によれば、基板上に圧電体前駆体膜41’をパターン形成してから結晶化させるので、単結晶膜が均一に成長しやすい。この結果、結晶粒界が生じるとしても、結晶粒の断面周囲長が2000nm以上の結晶粒を備えた圧電体膜、または結晶粒密度が4×109[個/m2]以下の圧電体膜となる。これにより、単結晶に匹敵する絶縁性及び圧電特性を得ることができ、薄膜化及び液体吐出ヘッドの高密度化が可能となる。この実施形態では、ゾルの塗布、乾燥、脱脂、パターニング、結晶化の工程を1回実施することにより圧電体膜41を形成したが、これに限らず、2回またはそれ以上繰り返すことによって圧電体膜41を厚膜化しても良い。
【0047】
上部電極形成工程(図5:S6、S7)
以上により形成された圧電体膜41上に上部電極42を形成する。具体的には、圧電体膜41の非形成領域に非晶質のフッ素樹脂層50をパターニング形成し(S6)、次いで圧電体膜41及び非晶質のフッ素樹脂層50上に上部電極42を成膜し、上部電極を非晶質のフッ素樹脂層とともに除去する(S7)。上部電極42としては白金(Pt)、イリジウム(Ir)その他の金属を用い、100nmの膜厚にDCスパッタ法で成膜する。
【0048】
次に、圧電体薄膜43及び上部電極44を、圧電体素子の所定形状にパターニングする。具体的には、上部電極42上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極42、圧電体薄膜41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、圧電体素子が形成される。
【0049】
インクジェット式記録ヘッドの形成(S8、S9)
更に、圧力室基板20にキャビティ21を形成し、ノズル板10を形成する。具体的には、圧力室基板20に、キャビティ21が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、例えば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ドライエッチングにより、予め定められた深さまで圧力室基板20をエッチングし、キャビティ21を形成する。エッチングされずに残った部分は側壁22となる。その後、かかる基板20等の積層体を、個々のインクジェット式記録ヘッドの大きさとなるように切り離す。
【0050】
最後に、樹脂等を用いてノズル板10を圧力室基板20に接合する。ノズル板10を圧力室基板20に接合する際には、ノズル11がキャビティ21の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。以上の工程により、インクジェット式記録ヘッドが形成される。
【0051】
(その他の変形例)
本発明で製造した圧電体素子は上記インクジェット式記録ヘッドの圧力発生源のみならず、圧電ファン、超音波モータ、超音波振動子のような圧電体素子装置及びこの様な装置の製造に適応することができる。
【0052】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置に用いられるインクを吐出するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機ELディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を吐出するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜化しても高い絶縁性及び十分な圧電特性を得ることができ、液体吐出ヘッドの高密度化が可能な圧電体素子を提供することができる。また、かかる圧電体素子の製造方法、圧電体素子を備えた液体吐出ヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の圧電体素子及び液体吐出ヘッドが使用されるプリンタ(液体吐出装置)の構造を説明する斜視図である。
【図2】本実施形態の液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。
【図3】上記インクジェット式記録ヘッドおよび圧電体素子の具体的な構造を説明する断面図である。
【図4】上記圧電体素子の製造工程断面図である。
【図5】上記圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【符号の説明】
10…ノズル板、 20…圧力室基板、 30…振動板、 31…絶縁膜、 32…下部電極、 40…圧電体素子、 41…圧電体薄膜層、 42…上部電極、 21…キャビティ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric element used as a driving element such as a liquid ejection head and a method for manufacturing the same. In addition, the present invention relates to a liquid discharge head such as an ink jet recording head and a liquid discharge device such as a printer provided with the above-mentioned piezoelectric element.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric element used for a liquid ejection head or the like includes a piezoelectric film such as PZT sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. This piezoelectric film is manufactured as a polycrystal mainly from the viewpoint of easy film formation.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the polycrystalline piezoelectric film has grain boundaries, the insulating property may be reduced. Also, it was difficult to obtain sufficient piezoelectric characteristics. Therefore, there is a limit in reducing the thickness, and there is a limit in increasing the density of the piezoelectric element when manufacturing a liquid discharge head.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element which can obtain high insulating properties and sufficient piezoelectric characteristics even when thinned, and can increase the density of a liquid discharge head. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing such a piezoelectric element, a liquid ejection head including the piezoelectric element, and a method for manufacturing the same.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric element including a piezoelectric thin film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, wherein a piezoelectric precursor film is formed on the lower electrode by a predetermined method. A step of forming a pattern in a shape, a step of crystallizing the patterned piezoelectric precursor film to obtain a piezoelectric thin film, and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film.
[0006]
In the above manufacturing method, the pattern formation of the piezoelectric precursor film may be performed by uniformly forming the piezoelectric precursor film on the lower electrode, and then etching the piezoelectric precursor film into a predetermined pattern. desirable. The pattern formation of the piezoelectric precursor film may be performed by forming a pattern of a sol containing the component of the piezoelectric precursor on the lower electrode by an inkjet method and gelling the sol.
[0007]
A method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention includes a step of forming a vibration plate on one surface of a substrate, a step of forming the piezoelectric element on the vibration plate by the above-described manufacturing method, and a step of etching the substrate to form a pressure chamber. And forming a.
[0008]
In the above manufacturing method, the liquid discharge head includes a plurality of piezoelectric elements, and the pattern formation of the piezoelectric precursor film in the step of forming the piezoelectric elements includes the step of forming a plurality of piezoelectric elements in each liquid discharge head. It is desirable to perform patterning so that the piezoelectric thin film to be formed is integrated.
[0009]
The piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film and an upper electrode are sequentially formed on a lower electrode, wherein the piezoelectric thin film includes crystal grains having a cross-sectional circumference of 2000 nm or more. Features.
[0010]
Further, the piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film and an upper electrode are sequentially formed on a lower electrode, and the piezoelectric thin film has a crystal grain density of 4 × 10 9 [pieces / m 2]. ] It is characterized by the following.
[0011]
Further, the piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film and an upper electrode are sequentially formed on a lower electrode, wherein the piezoelectric thin film is formed of a single crystal.
[0012]
A liquid ejection head according to the present invention includes the above-described piezoelectric element, a pressure chamber whose internal volume changes due to mechanical displacement of the piezoelectric element, and an ejection port that communicates with the pressure chamber to eject droplets. ing.
[0013]
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejection apparatus including the above-described liquid ejection head.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
(Overall configuration of inkjet printer)
FIG. 1 is a perspective view illustrating the structure of a printer that is a liquid ejection device using the piezoelectric element and the liquid ejection head according to the present embodiment. In this printer, a
[0016]
The ink
[0017]
The
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
(Configuration of inkjet recording head)
FIG. 2 is an explanatory diagram of a structure of an ink jet recording head which is a liquid ejection head of the present embodiment. As shown in the drawing, the ink
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
(Layer structure)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a more specific structure of the ink jet recording head and the piezoelectric element. This cross-sectional view is an enlarged cross-section of one piezoelectric element. As shown in the figure, the
[0025]
The insulating
[0026]
Although the
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
The composition of the
[0031]
(Printing operation)
A printing operation in the configuration of the ink
[0032]
On the other hand, when a discharge signal is supplied from the
[0033]
(Production method)
Next, the method for manufacturing the piezoelectric element according to this embodiment will be described together with the method for manufacturing the ink jet recording head. 4 and 5 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the piezoelectric element and the ink jet recording head.
[0034]
Insulating film forming step (S1)
The insulating film forming step is a step of forming an insulating
[0035]
Lower electrode forming step (S2)
This lower electrode forming step is a step of forming the
[0036]
Further, on the platinum film, a seed layer of titanium (Ti) is formed with a thickness of preferably 3 nm to 25 nm, more preferably 5 nm. For forming the titanium seed layer, for example, a known direct current sputtering method or the like is used. This seed layer is formed with a uniform thickness, but may be in an island shape in some cases.
[0037]
In this embodiment, the
[0038]
Formation of piezoelectric precursor film (S3)
Next, a piezoelectric precursor film 41 'is formed on the
[0039]
In the sol-gel method, a metal organic compound such as a metal alkoxide is hydrolyzed and polycondensed in a solution system. Specifically, first, a solution (sol) containing a metal organic compound is applied on a substrate and dried (S3). Examples of the metal organic compound to be used include alkoxides such as methoxide, ethoxide, propoxide and butoxide of metal constituting the inorganic oxide and acetate compounds. Inorganic salts such as nitrates, oxalates and perchlorates may be used.
[0040]
This mixed solution is applied on the lower electrode to a thickness of, for example, 20 nm. At the stage of application, each metal atom constituting PZT is dispersed as an organometallic complex.
[0041]
After the application, the sol is dried at a fixed temperature for a fixed time to evaporate the solvent of the sol. For example, the drying temperature is set to, for example, 150 ° C. or more and 200 ° C. or less. Preferably, it is dried at 180 ° C. The drying time is, for example, 5 minutes or more and 15 minutes or less. Preferably, it is dried for about 10 minutes.
[0042]
After drying, further degreasing is performed at a constant degreasing temperature in an air atmosphere for a predetermined time. The degreasing temperature is preferably in the range of 400 ° C to 600 ° C. This is because crystallization starts at a temperature higher than this range, and sufficient degreasing cannot be performed at a temperature lower than this range. Preferably, the temperature is set at about 450 ° C. to 550 ° C. The degreasing time is, for example, 5 minutes or more and 90 minutes or less. This is because crystallization starts in a time longer than this range, and is not sufficiently degreased in a time shorter than this range. It is preferably defatted for about 10 minutes. The organic matter coordinated to the metal is dissociated from the metal by degreasing, causing an oxidative combustion reaction, and is scattered into the atmosphere. Through the above steps, the piezoelectric precursor film 41 'is formed.
[0043]
Patterning of piezoelectric precursor film (S4)
Next, the piezoelectric precursor film 41 'is patterned into a predetermined shape for constituting an individual ink jet recording head. As a specific method, for example, a resist is applied on the piezoelectric precursor film 41 ', and is patterned by exposing and developing according to the position where the piezoelectric element is formed. Using the remaining resist as a mask, the piezoelectric precursor film 41 'is etched by ion milling or the like.
[0044]
The method of forming the pattern of the piezoelectric precursor film 41 'is not limited to the methods shown in S3 and S4, and may be a method of applying a sol of a metal organic compound containing a component of the piezoelectric precursor in a predetermined pattern by an inkjet method. Good. By performing drying and degreasing after the application, the piezoelectric precursor film 41 'is formed.
[0045]
Crystallization step (S5)
The
[0046]
By this crystallization, the
[0047]
Upper electrode forming step (FIG. 5: S6, S7)
The
[0048]
Next, the piezoelectric thin film 43 and the upper electrode 44 are patterned into a predetermined shape of the piezoelectric element. Specifically, after a resist is spin-coated on the
[0049]
Formation of inkjet recording head (S8, S9)
Further, the
[0050]
Finally, the
[0051]
(Other modifications)
The piezoelectric element manufactured according to the present invention is applicable not only to the pressure generating source of the ink jet recording head, but also to piezoelectric element devices such as a piezoelectric fan, an ultrasonic motor, and an ultrasonic transducer, and to the manufacture of such an apparatus. be able to.
[0052]
In addition, the liquid discharge head of the present invention includes, besides a head that discharges ink used in an ink jet recording apparatus, a head that discharges a liquid containing a color material used for manufacturing a color filter for a liquid crystal display or the like, and an organic EL. For heads that eject various liquids, such as a head that ejects a liquid containing an electrode material used for forming electrodes in displays and FEDs (surface emitting displays), and a head that ejects a liquid that contains biological organic substances used in the production of biochips. It is possible to apply.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric element capable of obtaining high insulating properties and sufficient piezoelectric characteristics even when thinned, and capable of increasing the density of a liquid ejection head. Further, it is possible to provide a method for manufacturing such a piezoelectric element, a liquid ejection head including the piezoelectric element, and a method for manufacturing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a structure of a printer (liquid ejection device) using a piezoelectric element and a liquid ejection head according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a structure of an ink jet recording head which is a liquid ejection head of the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a specific structure of the ink jet recording head and the piezoelectric element.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the piezoelectric element.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the piezoelectric element and the ink jet recording head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
下部電極上に圧電体前駆体膜を所定の形状にパターン形成する工程と、
前記パターン形成された圧電体前駆体膜を結晶化させ圧電体薄膜を得る工程と、
前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、
を備えた圧電体素子の製造方法。A method for manufacturing a piezoelectric element including a piezoelectric thin film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode,
A step of patterning the piezoelectric precursor film in a predetermined shape on the lower electrode,
Crystallizing the patterned piezoelectric precursor film to obtain a piezoelectric thin film,
Forming an upper electrode on the piezoelectric film,
The manufacturing method of the piezoelectric element provided with.
前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、前記下部電極上に圧電体前駆体膜を均一に形成した後、当該圧電体前駆体膜を所定パターンにエッチングすることで行う、圧電体素子の製造方法。In claim 1,
The pattern formation of the piezoelectric precursor film is performed by uniformly forming the piezoelectric precursor film on the lower electrode and then etching the piezoelectric precursor film into a predetermined pattern. .
前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、前記下部電極上に、前記圧電体前駆体の成分を含有するゾルをインクジェット法によってパターン形成し、ゲル化させることで行う、圧電体素子の製造方法。In claim 1,
The method of manufacturing a piezoelectric element, wherein the pattern formation of the piezoelectric precursor film is performed by forming a sol containing the component of the piezoelectric precursor on the lower electrode by an ink jet method and gelling the sol.
基板の一面に振動板を形成する工程と、
前記振動板上に前記圧電体素子を形成する工程と、
前記基板をエッチングし圧力室を形成する工程と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法。A method for manufacturing a liquid ejection head including a piezoelectric element manufactured by the manufacturing method according to claim 1, wherein:
Forming a diaphragm on one surface of the substrate;
Forming the piezoelectric element on the diaphragm,
Forming a pressure chamber by etching the substrate.
前記液体吐出ヘッドは複数の圧電体素子を備え、前記圧電体素子の形成工程における前記圧電体前駆体膜のパターン形成は、個々の液体吐出ヘッド内の複数の圧電体素子を形成するための圧電体薄膜が一体となるようにパターニングする、液体吐出ヘッドの製造方法。In claim 4,
The liquid discharge head includes a plurality of piezoelectric elements, and the pattern formation of the piezoelectric precursor film in the step of forming the piezoelectric elements includes forming a plurality of piezoelectric elements in each of the liquid discharge heads. A method for manufacturing a liquid discharge head, wherein patterning is performed so that a body thin film is integrated.
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- 2002-07-12 JP JP2002204588A patent/JP2004047814A/en active Pending
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