【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いたインクジェットプリンタヘッドなどに用いられる液滴噴射装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高品位の印刷を行うプリンタとしてインクジェットプリンタが普及している。このようなインクジェトプリンタは、印刷用途のみならず、捺染、工業用の薬液やパターン材料の塗布など極めて広い応用が基体されるものである。インクジェットプリンタには、代表的なものとして、圧電素子を用いる圧電式と、ヒーターによる加熱を用いる熱式があり、いずれも高性能化の開発が進んでいる。
【０００３】
圧電式インクジェットプリンタのヘッド部に用いられる液滴噴射装置においては、一般にＰｂ（ＺｒｘＴｉ（１−ｘ））Ｏ３（以下、ＰＺＴと称す）系などの圧電性セラミックスを用いた圧電素子と振動板を用いて接合した構造をとる。このような液滴噴射装置では、より高い解像度を得るためにインク室やノズルの多素子化・集積化が図られており、特許文献１に開示されているような圧電体薄膜を用い、これを半導体プロセスで微細加工して圧電素子を作製する方法が提案されている。このような方法によれば、ノズルの構造が２０００ｄｐｉもの多素子化・高密度化を実現することが可能である。特許文献１に開示されている液滴噴射装置においては、その製造方法として、（１００）ＭｇＯ基板上に電極を形成し、電極上に鉛系誘電体層を形成し、鉛系誘電体層上にさらに第２電極を形成し、第２電極上に振動板を形成した後、ＭｇＯ基板の全て、もしくは一部を除去し、振動板の上にインク液体を収容するための圧力室を形成する製造方法が開示されている。誘電体層としてはＰＺＴ系のｃ軸方向に配向した結晶性の良い圧電体薄膜が用いられている。
【０００４】
この製造方法として開示されている工程においては、ＭｇＯ基板上に電極および誘電体層と振動板を形成し、さらに圧力室・吐出口を形成した後ＭｇＯ基板を酸性溶液によるエッチングなどで除去し、さらに圧力室。吐出口を形成した後、ＭｇＯ基板を酸性溶液によるエッチングなどで除去し、インクジェット形成を行っていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２８６９５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されている液滴噴射装置において、その製造工程でＰＺＴ系のｃ軸方向に配向した結晶性の良い薄膜を得るのに、（１００）ＭｇＯ基板が使用される。
【０００７】
この（１００）ＭｇＯ基板は、結晶の（１００）面に強い劈開性を有する。この劈開性は、（１００）面に直交する（０１０）面に、（００１面）などにおいても同様である。同時に、ＭｇＯ基板表面には、その製造工程における研磨加工でできるスクラッチ傷なども存在する（以上、日本化学会誌、１９９３（１１）１２２５、およびＪ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ １００［８］１０６０）。
【０００８】
従来例の工程において、圧力室および吐出口の構造体（以下、ケーシング部材）とＭｇＯ基板を（電極および圧電体層と振動板を介して）接合する工程においては、熱膨張の差に起因して必然的に応力によるたわみが発生する。このため、劈開面よりＭｇＯ基板のクラックが発生しやすく、作製歩留まりが低下する問題があった。また、スクラッチ傷などが存在した場合、クラックは傷をきっかけにして、さらに発生しやすく、作製歩留まりを下げていた。
【０００９】
また、ＭｇＯ基板は、劈開面を有するため、機械的強度を保つためにある程度の厚みが必要であった。一例ではあるがｍ、上述した文献（Ｊ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ １００［８］１０６０）においては、５００μｍ厚さのものが用いられていた。このため、ＭｇＯ基板を除去する工程に置いてエッチング時間が長くなるという問題点があった。エッチングに用いる酸性溶液に長時間曝されるため、保護財のピンホールなどを介して圧電体層に侵入して侵し、さらに歩留まりを低下させる原因になっていた。
【００１０】
本発明は、従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ｃ軸方向に配向した結晶性のよい圧電対薄膜を用いた高効率で良好な特性を有する液滴噴射装置を高い歩留まりで作製できる製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の液滴噴射装置の製造方法は、凹状部分を有するケーシング部材に圧電部材が接合された構造を有する液滴噴射装置の製造方法であって、単結晶材料よりなる前記第１基板上に前記圧電部材を形成する工程と、前記第１基板の結晶軸方位が前記ケーシング部材の前記凹状部分の長手方向に対して所定のオフセット角を有する方向となるように、前記第１基板上に形成された前記圧電部材と前記ケーシング部材とを接合する工程と、前記第１基板を除去する工程とを有している。
【００１２】
本発明によれば、第１基板の結晶軸方位を、ケーシング部材の凹状部分の長手方向に対してオフセット角を有する方向にすることにより、劈開面方向と凹状部分の長手方向との間にオフセット角を持たせて、第１基板と圧電部材との積層体がケーシング部材に接合される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
本実施形態においては、ｃ軸方向に配向した結晶性の良い圧電体薄膜を用いた高効率で良好な特性を有する液滴噴射装置が高い歩留まりで作製される。その際、まず、第１基板上に圧電部材を形成する。次に、第１基板と圧電部材の積層体の圧電部材側を、凹状部分を持つケーシング部材（インク室）に直接に接合する。最後に、第１基板を除去する。
【００１５】
以下、液滴噴射装置の製造方法を工程順に詳細に説明する。
【００１６】
第１基板上に圧電部材を形成する工程について説明する。
【００１７】
第１基板としては、圧電体薄膜の形成において、ｃ軸方向に配向した結晶性の良い圧電体薄膜を作製できるように、単結晶基板が用いられる。好ましいものとしては、例えばＭｇＯ単結晶が挙げられる。
【００１８】
まず、浸没アーク溶融法などで育成したＭｇＯ単結晶を、劈開面である（１００）面に沿って劈開して板状に加工することによりＭｇＯ板を作製する。さらに、このＭｇＯ板を所定方向に沿って切断することにより所望の形状の第１基板を作製する。
【００１９】
この際の切断方向は、ＭｇＯ板の面内方向に存在する劈開面である（０１０）面方向、あるいは（００１）面方向に対してオフセットを持った方向にすることも可能であり、切り出される第１基板の形状としては例えば矩形などである。また、第１基板の表面は、必要に応じて、ラッピングやポリッシング、さらにリン酸溶液などを用いたエッチングなどを行うことにより、平坦性が高められる。第１基板の好ましい厚さなどについては後述する。
【００２０】
第１基板が作製されると、次に、その第１基板上に圧電部材を作製する。
【００２１】
その際、第１基板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極、振動板を順に形成し、所望の形状に加工する。
【００２２】
第１電極の材料としては、導電性が高く、圧電体薄膜作製工程等の加熱などに耐えうるものの中から適宜選択される。好ましいものの例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕなどの貴金属材料が挙げられる。また、これら貴金属材料からなる合金や積層膜なども第１電極の材料として用いることができる。
【００２３】
第１電極の形成方法としては、従来から公知の薄膜形成方法を適宜用いることができるが、好ましい例としてスパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、クラスターイオンビーム法、ＭＢＥ法などが挙げられる。
【００２４】
また、第１電極は、好ましくは、上述した貴金属系材料の配向膜である。配向膜の表面の格子定数は、例えば、Ｐｔの（１００）配向膜で、およそ３．９２ｎｍ（ＪＣＰＤＳカード０４−０８０２）となる。これは、代表的なプロブスカイト系圧電材料であるＰＺＴのａ軸方向の格子定数４．０４ｎｍ（ＪＣＰＤＳカード３３−０７８４）と良くマッチングするので、ｃ軸方向に配向した、結晶性の良い圧電体薄膜を作製できる。成膜に際して、圧電体薄膜の形成条件として、基板を加熱することにより結晶化のエネルギーを供給する必要があるが詳細は後述する。
【００２５】
また、このような配向膜は、第１基板に対してエピタキシャル的に形成されるため基板と平行となる結晶軸の方向も第１基板の結晶軸と概ね平行である。そのため、第１基板を除去した後でも、この第１電極の結晶軸方向を、例えばＸ線回折などで測定することにより、本製造方法によって作製した液滴噴射装置が容易に判別される。
【００２６】
圧電体薄膜の圧電材料は、所望の駆動特性が得られるものであれば、特に限定されない。圧電材料の例としては、ＰＺＴ系材料などのプロブスカイト系材料や、ＺｎＯ等がある。薄膜の作製方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相成長や、ゾルゲル法などを必要に応じて用いることができる。
【００２７】
膜厚を１０μｍ以下とすれば、フォトリソグラフィーなどの半導体加工プロセスを利用して多数の圧電部材を一括して容易に作製できる。第１の電極上に適当な成膜条件で圧電材料を成膜することにより、ｃ軸方向に配向した結晶性の良い圧電体薄膜を形成する。
【００２８】
また、膜厚方向に組成を変えて成膜したＰＺＴ系の配向膜（Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．４０５７）なども圧電体薄膜の材料として好ましい。
【００２９】
第２電極の材料としては、導電性が高いものの中から適宜選択される。また、圧電体薄膜と十分な密着性を持つことが好ましい。
【００３０】
以上のようにして第１電極、圧電体薄膜、第２電極を順に積層した後に、振動板を形成し、所望の形状に加工する。振動板として好ましく用いられるものとして、薄片化したガラス質材料、スパッタリングなどの方法により作製されるＳｉＯ２、金属材料などが挙げられる。接合方法や関連する工程は、特に限定されない。形状の加工には、半導体加工プロセスであるフォトリソグラフィーおよびエッチングを用いることが好ましい。この加工の工程は、第１基板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極の各層を形成後、あるいは振動板を形成してケーシング部材（インク室）に接合し、第１基板を除去した後に行う。
【００３１】
凹状部分を持つケーシング部材を形成し、圧電部材および第１基板からなる積層体をケーシング部材に接合する工程について説明する。
【００３２】
ケーシング部材は、ガラス、樹脂、金属などを材料として作製される。好ましい例として、Ｓｉ単結晶基板の異方性エッチング形成されるものが挙げられる。このようにすることで半導体加工プロセスを用いてノズルの多素子化や高集積化が可能であり、インクジェットとして高い解像度を得ることができる。また、ケーシング部材には、必要に応じて、電極や駆動などに用いる回路などを予め形成しておくこともできる。
【００３３】
また、本実施形態では、第１基板の結晶軸方位がケーシング部材の凹状部分の長手方向に対してオフセット角を有するように、第１基板をケーシング部材に接合する。接合の方法としては、高い強度で接合できる方法の中から適当な方法を選択すればよい。好ましい接合方法を（１）および（２）に示す。
【００３４】
（１）接合層を介した接着または圧着：接合面に接合層を形成し、面同士を合わせた後、第１基板とケーシング部材を押し付け合うように加圧・加熱して接合する。接合層の好ましい例としては、各種の接着剤が挙げられる。また、Ａｕなどの展性を有する貴金属系材料なども好ましく、また、これらの合金や積層膜などを用いることもできる。
【００３５】
（２）陽極接合：第１基板とケーシング部材の面同士を合わせた後、それらを押し付け合うようにした状態で加熱し、第１基板とケーシング部材の間に電界を印加して陽極接合（Ｇ．Ｗａｌｌｉｓ ｅｔ． ａｌ． Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４０（１０）３９４６）を行う。
【００３６】
図１は、本実施形態において第１基板１および圧電部材２の積層体がケーシング部材３に接合された状態を第１基板（上面）側から見た透視図である。図１を用いて、この接合の概略について説明する。図１は、説明に必要な部分に注目して描かれており、凹状部分など一部省略されている。
【００３７】
図１を参照すると、ケーシング部材３は、凹状部分４およびそれに連なるノズル５を複数持つ。凹状部分４は長さがＬで幅がＷの形状であり、Ｌ＞Ｗとなっている。そして、複数の凹状部分４は、長手方向（長さ方向）を互いに平行にして、横方向（幅方向）に並べられ、集積化されている。凹状部分４の間には隔壁７がある。また、図中の矢印６は、第１基板１の結晶軸方位（すなわち劈開面方向）を示している。
【００３８】
ノズル５の多素子化および集積化のため、各凹状部分４は図のｘ方向に並んで配置されている。そして、高集積化のため、凹状部分４の幅Ｗは必然的に小さくなる。
【００３９】
一方、ノズル５からの十分な吐出力を得るために、各凹状部分４に対応して圧力を発生させる振動板には十分な面積が必要である。そのため、凹状部分４の長さＬとしはある程度の長さが必要である。そのため、凹状部分４の形状はＬ＞Ｗとなる。
【００４０】
このような凹状部分４が高度に集積化されて配置されたケーシング部材３は、構造的に凹状部分４の間の隔壁７が補剛材として機能するため、その可撓性には異方性があり、凹状部分４の長手方向（図にｙ方向）には剛性が高く、直交する方向（図にｘ方向）には大きく撓みやすい。そのため、接合する第１基板との熱膨張の差に起因して発生する撓み量が図のｘ方向に大きくなる。したがって、ケーシング部材の撓みやすい方向と直交する方向（ｙ方向）に第１基板の劈開面があると、撓みによる力で第１基板１が劈開面より容易に破断し、クラックが発生してしまう。
【００４１】
これに対して、本実施形態では、第１基板１の結晶軸方位を、ケーシング部材３の凹状部分４の長手方向（図のｙ方向）に対して、基板の内面方向のオフセット角θを有する方向にすることにより、劈開面方向と凹状部分４の長手方向との間にオフセット角θを持たせて、第１基板１と圧電部材２との積層体がケーシング部材３に接合される。これにより、第１基板１の劈開面が、撓みによる破断の発生しやすい方向に対して非平行となるので、劈開によるクラックの発生が減少する。
【００４２】
さらに、本実施形態において好ましくは、このオフセット角θがケーシング部材の凹状部分４の長手方向の長さＬ、幅Ｗに対して、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たしていれば、より一層、劈開によるクラックの発生が減少する。
【００４３】
図２は、本実施形態において、第１基板１および圧電部材２の積層体が、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌを満たして、ケーシング部材３に接合された状態を第１基板（上面）側から見た透視図である。図２を用いて、その接合の概略について説明する。図２は、説明に必要な部分に注目して描かれており、凹状部分など一部省略されている。
【００４４】
図２を参照すると、ケーシング部材３は、凹状部分４およびそれに連なるノズル５を複数持つ。凹状部分４は長さがＬで幅がＷの形状であり、Ｌ＞Ｗとなっている。そして、複数の凹状部分４は、長手方向（長さ方向）を互いに平行にして、横方向（幅方向）に並べられ、集積化されている。凹状部分４の間には隔壁７がある。また、図中の矢印６は、第１基板の結晶軸方向（劈開面方向）を示している。そして、第１基板１の劈開面方向の、凹状部分４の長手方向に対するオフセット角θが、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たしている。そのため、矢印６の直線上の２箇所の点▲１▼、▲２▼は同一の劈開面内にあり、かつ異なる隔壁７上にある。
【００４５】
これにより、１つの劈開面が隔壁７によって２箇所で固定されることとなる。そのため、凹状部分４の長手方向に対して第１基板１の劈開面が非平行であることにより第１基板１に破断が発生しにくいことに加えて、劈開面が２箇所で隔壁７に固定されることにより、劈開面の両側から加わる、せん断の力（ここでは、第１基板１の厚さ方向のずれの力）が低減され、劈開によるクラックの発生が減少する。
【００４６】
なお、第１基板１に用いるＭｇＯ基板は、後工程において酸性溶液などによりエッチング除去されるので、一般に、できるだけ薄いことが好ましい。本実施形態による液滴噴射装置の作製工程においては、劈開によるクラックの発生が低減されるため、従来よりも薄いＭｇＯ基板を用いることができる。
【００４７】
ＭｇＯ基板の厚さの範囲としては、５０μｍ〜３００μｍであることが好ましい。このような薄い基板を用いることで、エッチング時間が短くできる。また、エッチングに用いる酸性溶液が保護材やエッチングストップ層のピンホールなどを介して圧電体層に侵入するのを低減することができ、より歩留まりの向上が図れる。
【００４８】
本実施形態によれば、第１基板１にクラックが発生しにくいので、薄い基板を用いて高い歩留まりで液滴噴射装置を製造できる。
【００４９】
第１基板を除去する工程について説明する。
【００５０】
まず、予め、圧電体薄膜が露出している箇所などの必要な箇所に、保護材としてレジストなどを塗布しておく。次に、第１基板１をリン酸などの酸性溶液に浸して攪拌し、第１基板１を溶解する。この工程でも、溶解を促進するために必要に応じて加熱を行ってもよい。そして、溶解終了後に保護材を除去する。
【００５１】
第１基板を除去した後、最後に、ダイシングシーを用いてノズル５の先端部分を切断して吐出口を形成し、液滴噴射装置を作製する。
【００５２】
以上、本実施形態によれば、高効率かつ特性の良好な液滴噴射装置を、高い歩留まりで作製することのできる製造方法を提供することができる。
【００５３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００５４】
（第１の実施例）
第１の実施例として図１に示した構造を有する圧電素子および液滴噴射装置を製造した。その製造工程について説明する。図３は、図１に示した構造を有する液滴噴射装置の製造方法の各工程を示す図である。
【００５５】
まず、図３（ａ）に示すように、第１基板１上に圧電部材２を形成した。
【００５６】
第１基板１としては、厚さ３００μｍ、面方位（１００）のＭｇＯ単結晶を用いた。圧電部材２は、第１電極８、圧電体薄膜９、第２電極１０を順に積層し、振動板１１を形成し、所望の形状に加工して作製した。
【００５７】
以下、圧電部材２を構成する各層の作成について詳細に説明する。
【００５８】
第１電極８は、スパッタ法を用いてＰｔを１００ｎｍ堆積して形成した。成膜方法は、ターゲットとしてＰｔを用い、Ａｒガス雰囲気中で、ターゲットに対して高周波パワーが４Ｗ／ｃｍ２となるように電圧を印加し、基板温度を６００℃とした。このようにして得られた第１電極８をＸ線回折装置（理学電機（株）製ＲＡＤ−２Ｒ）により評価したところ、結晶軸（１００）が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。
【００５９】
圧電体薄膜９は、ＲＦスパッタ法を用いてＰｂ（ＺｒｘＴｉ（１−ｘ））Ｏ３を３μｍ堆積して形成した。成膜方法は、ターゲットとしてＰｂ１．１Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏｘの比率で混合焼成したものを用い、ＡｒとＯ２を５：１に混合したガス中で、ターゲットに対して高周波パワーが１．５Ｗ／ｃｍ２となるように印加し、基板温度は６２０℃とした。このようにして得られた圧電体薄膜９をＸ線回折装置（理学電機（株）製 ＲＡＤ−２Ｒ）により評価したところ、結晶のｃ軸が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。
【００６０】
第２電極１０は、第１電極８と同様にしてＰｔを１００ｎｍ、Ａｌを２０ｎｍ堆積して形成した。ただし、本工程においては、基板加熱は行っていない。
【００６１】
振動板１１は、振動板材料として厚さ４０μｍのコーニング＃７７４０ガラスを清浄化して第２電極１０と重ね合わせ、３５０℃に加熱し、信号板材料と第２電極１０の間に第２電極１０側を陽極として２００Ｖで電圧を印加し、さらに押し付けて接合した。さらに、振動板材料をラッピングマシンと研磨剤を用いて研磨し、厚さを平均で３μｍまで薄片化すると共に、凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨の際には、研磨剤粒子径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして平坦な研磨面を有する振動板１１を形成した。
【００６２】
次に、図３（ｂ）示しように、ケーシング部材３を作製した。ケーシング部材３は、面方位（１００）のＳｉ単結晶基板に、フォトリソグラフィーとＴＭＡＨ溶液による異方性エッチングで表面より凹状部分４およびノズル５を形成し、さらに裏側より開口部を形成した。
【００６３】
次に、図３（ｃ）に示すように、ケーシング部材３と、圧電部材２と第１基板１の積層体を接合した。その際、図１に示したように、第１基板１の結晶軸方位をケーシング部材３の凹状部分４の長手方向に対してオフセット角θを有する方向に接合した。図１において、ケーシング部材３の凹状部分４は、長さＬが３ｍｍ、幅Ｗが１００μｍであり、２００ｄｐｉの集積度となるようにノズルを集積化して、図１に示されたｘ方向に並べて配置した。オフセット角θは１．５°とした。
【００６４】
接合の方法は、接合面を清浄化して重ね合わせ、３５０℃に加熱し、振動板１１とケーシング部材３の間にケーシング部材３側を陽極として２００Ｖの電圧を印加し、さらに押し付けて接合した。
【００６５】
次に、図３（ｄ）に示すように、第１基板１を除去した。第１基板１の除去は、保護材としてレジストなどを予め露出面以外の箇所に塗布しておき、リン酸溶液に浸してＭｇＯを溶解除去した。この際の条件は、リン酸８５％のリン酸溶液を用い、温度を８０℃に保ちながら攪拌し、約３時間で溶解した。この際、第１電極８をエッチングストップ層として用ることにより、エッチング液であるリン酸溶液が圧電体薄膜に侵入しないようにした。
【００６６】
最後に、図３（ｅ）に示しように、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて第１電極８、圧電体薄膜９、第２電極１０をパターニング加工し、圧電素子部２を形成した。さらに、ダイシングソーを用いて吐出口部先端部分を切断して吐出口１２を形成した。
【００６７】
以上のようにして本実施例の液滴噴射装置を作製した。そして、本実施例の液滴噴出装置の液滴噴射特性を調べたところ、電圧印加によって良好な液滴噴射特性を示した。
【００６８】
以上、本実施例の液滴噴射装置の製造方法によれば、第１基板１の結晶軸方位をケーシング部材３の凹状部分４の長手方向（図のｙ方向）に対してオフセット角θを有する方向に接合することにより、撓みによる破断の発生しやすい方向に対して第１基板１の劈開面を非平行とすることができ、劈開によるクラックの発生を減少させることができる。このため、圧電体薄膜の形成において、ｃ軸方向に配向した結晶の良い圧電体薄膜を作製できるように用いられるＭｇＯなどの劈開性の高い単結晶基板を第１基板１として用い、高効率で良好な特性を有する液滴噴射装置を高歩留まりで製造できる。
【００６９】
（第２の実施例）
第２の実施例として、図２に示した構造を有する圧電素子および液滴噴射装置を製造した。図２に示した構造を有する圧電素子は、ケーシング部材３の凹状部分４の長手方向の長さＬおよび幅Ｗに対して、オフセット角θが、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たしている。それにより、１つの劈開面が少なくとも２箇所の隔壁７に接合される。
【００７０】
図４は、図２に示した構造を有する液滴噴射装置の製造方法の各工程を示す図である。
【００７１】
まず、図４（ａ）に示すように、第１基板１上に第１電極８、圧電体薄膜９、第２電極１０を順に積層して形成した。第１基板１としては、厚さ１００μｍ、面方位（１００）のＭｇＯ単結晶を用いた。本実施例で用いたＭｇＯ基板は、浸没アーク溶融法などで育成したＭｇＯ単結晶を劈開面である（１００）面に沿って劈開して板状に加工し、さらにＭｇＯ基板の面内方向に存在する劈開面である（０１０）面方向に対して予め１０°のオフセット角を持った方向に一辺を持つような正方形に切断したものである。さらに、表面はラッピングにより、厚さ１００μｍまで薄片化し、ポリッシングや、リン酸溶液などを用いたエッチングにより、平坦性の高い基板を作製したものである。第１電極８および圧電体薄膜９は、第１の実施例と同様にして作製した。また、これらの結晶配向性について、第１の実施例と同様の評価を行ったいところ、第１の実施例とほぼ同等であることが確認できた。さらに、第２電極１０を第１の実施例と同様にして作製した。
【００７２】
次に、図４（ｂ）に示すように、ケーシング部材３を作製した。ケーシング部材３は、面方位（１００）のＳｉ単結晶基板に、フォトリソグラフィーとＴＭＡＨ溶液によるエッチングで表面より凹状部分４およびノズル５を形成し、さらに裏面より開口部を形成した。
【００７３】
次に、図４（ｃ）に示しように、ケーシング部材３に振動板１１を形成した。振動板１１は、振動板材料として厚さ４０μｍのコーニング＃７７４０ガラスを清浄化し、同様に清浄化したケーシング部材３と重ね合わせ、３００℃に加熱し、振動板材料とケーシング部材３の間にケーシング部材３側を陽極として２００Ｖの電圧を印加し、さらにそれらを押し付けて接合した。さらに、振動板材料をラッピングマシンと研磨剤を用いて研磨し、平均で３μｍの厚さまで薄片化すると共に、凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨の際には、研磨剤粒子径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして、平坦な研磨面を有する振動板１１を形成した。
【００７４】
次に、図４（ｄ）に示すように、振動板１１とケーシング部材３の接合体の振動板１１と、第１基板１上に第１電極８、圧電体薄膜９、第２電極１０を積層した積層体の第２電極１０とを接合した。図２には、本工程の接合状態を上面より見た透視図が示されている。本実施例において、ケーシング部材３の凹状部分４は、長さＬが３ｍｍ、幅Ｗが１００μｍであり、２００ｄｐｉの集積度となるようにノズルを集積化して図２に示されたｘ方向に並べて配置した。この接合工程において第１基板１の一辺方向をケーシング部材３の凹状部分４の長手方向に対して平行に接合することにより、劈開面が凹状部分４の長手方向に対して予め第１基板１に設けたオフセット角θ持つように接合された。すなわち、オフセット角θ＝１０°となる。ｔａｎθ≒０．１８であり、これは凹状部分４のＷ／Ｌ≒０．０３３に対して十分に大きな値であり、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たす。
【００７５】
このようにすることで、図２に示したように、１つの劈開面の２箇所が隔壁７に固定しるようにして接合される。その際の接合の方法としては、振動板１１と第２電極１０の間に、第２電極１０側を陽極として、２００Ｖの電圧を印加し、さらに押し付けることにより接合する方法を用いた。
【００７６】
次に、図４（ｅ）に示すように、第１基板１を除去した。第１基板１の除去は、保護材としてレジストなどを予め露出面以外の箇所に塗布しておき、リン酸溶液に浸してＭｇＯを溶解除去した。その際、リン酸８５％のリン酸溶液を用い、温度を８０℃に保ちながら攪拌し、約４５分間で溶解した。また、第１電極８をエッチングストップ層として用ることにより、エッチング液であるリン酸溶液が圧電体薄膜に侵入しないようにした。
【００７７】
最後に、図４（ｆ）に示したように、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて第１電極８、圧電体薄膜９、第２電極１０をパターニング加工し、圧電素子部２を形成した。さらに、ダイシングソーを用いて吐出口部先端部分を切断して吐出口１２を形成した。
【００７８】
以上のようにして本実施例の液滴噴射装置を作製した。そして、本実施例の液滴噴出装置の液滴噴射特性を調べたところ、電圧印加によって良好な液滴噴射特性を示した。
【００７９】
以上、本実施例の液滴噴射装置の製造方法によれば、第１の実施例と同様に、第１基板１の結晶軸方位をケーシング部材３の凹状部分４の長手方向（図のｙ方向）に対してオフセット角θを有する方向に接合することにより、撓みによる破断の発生しやすい方向に対して第１基板１の劈開面を非平行とすることができ、劈開によるクラックの発生を減少させることができる。このため、圧電体薄膜の形成において、ｃ軸方向に配向した結晶の良い圧電体薄膜を作製できるように用いられるＭｇＯなどの劈開性の高い単結晶基板を第１基板１として用い、高効率で良好な特性を有する液滴噴射装置を高歩留まりで製造できる。
【００８０】
さらに、本実施例において、オフセット角θをケーシング部材の凹状部分の長手方向の長さＬおよび幅Ｗに対して、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たすようにすることにより、１つの劈開面の少なくとも２箇所が隔壁上に固定されるため、より劈開面に加わるせん断力（基板の厚さ方向のずれの力）が低減され、劈開によるクラックの発生をさらに減少させることができる。
【００８１】
さらに本実施例では、第１基板１のクラックを低減した製造方法を用いているため、薄い基板を用いることにより、エッチング時間を短縮できると共に、エッチングに用いられる酸性溶液が保護材やエッチングストップ層のピンホールなどを介して圧電体層に浸入するのを低減できるので、さらに歩留まりを向上できる。
【００８２】
以下に、本発明の各実施態様を示す。
（第１の実施態様）
凹状部分を有するケーシング部材に圧電部材が接合された構造を有する液滴噴射装置の製造方法であって、
単結晶材料よりなる前記第１基板上に前記圧電部材を形成する工程と、
前記第１基板の結晶軸方位が前記ケーシング部材の前記凹状部分の長手方向に対して所定のオフセット角を有する方向となるように、前記第１基板上に形成された前記圧電部材と前記ケーシング部材とを接合する工程と、
前記第１基板を除去する工程とを有する液滴噴射装置の製造方法。
【００８３】
本実施形態によれば、第１基板の結晶軸方位を、ケーシング部材の凹状部分の長手方向に対してオフセット角を有する方向にすることにより、劈開面方向と凹状部分の長手方向との間にオフセット角を持たせて、第１基板と圧電部材との積層体がケーシング部材に接合されるので、第１基板の劈開面が、撓みによる破断の発生しやすい方向に対して非平行となり、劈開によるクラックの発生が減少する。
【００８４】
（第２の実施態様）
前記凹状部分の長手方向の長さをＬとし、幅をＷとし、前記オフセット角をθとして、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たすように、前記圧電部材と前記ケーシング部材とを接合する、第１の実施態様に記載の液滴噴射装置の製造方法。
【００８５】
本実施態様によれば、オフセット角θを、ケーシング部材の凹状部分の長手方向の長さＬおよび幅Ｗに対して、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たすようにすることにより、１つの劈開面の少なくとも２箇所が、凹状部分の両側の隔壁上にそれぞれ固定されるため、より劈開面に加わるせん断力（基板の厚さ方向のずれの力）が低減され、劈開によるクラックの発生をさらに減少させることができる。
【００８６】
（第３の実施態様）
前記第１基板をエッチングにより除去する、第１または第２の実施態様に記載の液滴噴射装置の製造方法。
【００８７】
本実施態様によれば、第１基板は、クラック発生の可能性が低減されるので、薄い基板を用いることができ、短時間のエッチングで第１基板を除去でき、かつエッチングに用いられる酸性溶液が保護材やエッチングストップ層のピンホールなどを介して圧電体部材に浸入するのが低減され、歩留まりがさらに向上する。
【００８８】
（第４の実施態様）
前記第１基板がＭｇＯ単結晶よりなる、第１〜３の実施態様のいずれか１つに記載の液滴噴射装置の製造方法。
【００８９】
本実施態様によれば、劈開によるクラックの発生の可能性を低減しつつ、製造工程において結晶の配向性の良い薄膜を得られるＭｇＯ基板を用いることができるので、高効率で良好な特性を有する液滴噴射装置を高い歩留まりで製造できる。
【００９０】
（第５の実施態様）
前記第１基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍである、第１〜４の実施態様のいずれか１つに記載の液滴噴射装置の製造方法。
【００９１】
（第６の実施態様）
凹状部分を有するケーシング部材に圧電部材が接合された構造を有する液滴噴射装置であって、
凹状部分を有するケーシング部材と、
単結晶材料からなる第１基板上に形成され、該第１基板の結晶軸方位が前記ケーシング部材の前記凹状部分の長手方向に対して所定のオフセット角を有する方向となるように、前記第１基板と共に前記ケーシング部材に接合され、該第１基板が除去されることにより、前記ケーシング部材に接合して形成された圧源部材とを有する液滴噴射装置。
【００９２】
（第７の実施態様）
前記第１基板がエッチングにより除去された、第６の実施態様に記載の液滴噴射装置。
【００９３】
（第８の実施態様）
前記第１基板としてＭｇＯ単結晶よりなる基板を用いて製造された、第６または７の実施態様に記載の液滴噴射装置。
【００９４】
（第９の実施態様）
前記第１基板の厚さが５０μｍ〜３００μｍである、第６〜８の実施態様のいずれか１つに記載の液滴噴射装置。
【００９５】
（第１０の実施態様）
凹状部分を有するケーシング部材に圧電部材が接合された構造を有する液滴噴射装置であって、
凹状部分を有するケーシング部材と、
結晶軸方位が前記凹状部分の長手方向に対して所定のオフセット角を有する層を含む圧電部材とを有する液滴噴射装置。
【００９６】
（第１１の実施態様）
前記凹状部分の長手方向の長さをＬとし、幅をＷとし、前記オフセット角をθとして、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌの関係を満たすように、前記圧電部材と前記ケーシング部材が接合された、第６〜１０の実施態様のいずれか１つに記載の液滴噴射装置。
【００９７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１基板の結晶軸方位を、ケーシング部材の凹状部分の長手方向に対してオフセット角を有する方向にすることにより、劈開面方向と凹状部分の長手方向との間にオフセット角を持たせて、第１基板と圧電部材との積層体がケーシング部材に接合されるので、第１基板の劈開面が、撓みによる破断の発生しやすい方向に対して非平行となり、劈開によるクラックの発生が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態において第１基板および圧電部材の積層体がケーシング部材に接合された状態を第１基板（上面）側から見た透視図である。
【図２】本発明の実施形態において、第１基板および圧電部材の積層体が、１＞ｔａｎθ＞Ｗ／Ｌを満たして、ケーシング部材に接合された状態を第１基板（上面）側から見た透視図である。
【図３】図１に示した構造を有する液滴噴射装置の製造方法の各工程を示す図である。
【図４】図２に示した構造を有する液滴噴射装置の製造方法の各工程を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１基板
２ 圧電部材
３ ケーシング部材
４ 凹状部分
５ ノズル
６ 矢印
７ 隔壁
８ 第１電極
９ 圧電体薄膜
１０ 第２電極
１１ 振動板
１２ 吐出口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a droplet ejecting apparatus used for an ink jet printer head using a piezoelectric element.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, inkjet printers have been widely used as printers for performing high-quality printing. Such an ink-jet printer is used not only for printing but also for a wide variety of applications such as printing, coating of industrial chemicals and pattern materials. As typical inkjet printers, there are a piezoelectric type using a piezoelectric element and a thermal type using heating by a heater, and development of higher performance is progressing.
[0003]
In a droplet ejecting apparatus used for a head portion of a piezoelectric ink jet printer, Pb (Zr x Ti (1-x) ) O 3 A structure in which a piezoelectric element using piezoelectric ceramics (hereinafter, referred to as PZT) or the like and a piezoelectric element are joined using a diaphragm is employed. In such a droplet ejecting apparatus, in order to obtain higher resolution, multiple elements and integration of ink chambers and nozzles are attempted, and a piezoelectric thin film as disclosed in Patent Document 1 is used. There has been proposed a method of fabricating a piezoelectric element by finely processing the same in a semiconductor process. According to such a method, it is possible to realize a multi-element and high-density nozzle having a structure of 2000 dpi. In the droplet ejecting apparatus disclosed in Patent Document 1, as a method of manufacturing the same, an electrode is formed on a (100) MgO substrate, a lead-based dielectric layer is formed on the electrode, and a lead-based dielectric layer is formed on the electrode. After forming a diaphragm on the second electrode, all or a part of the MgO substrate is removed, and a pressure chamber for containing the ink liquid is formed on the diaphragm. A manufacturing method is disclosed. As the dielectric layer, a PZT-based piezoelectric thin film with good crystallinity oriented in the c-axis direction is used.
[0004]
In the process disclosed as this manufacturing method, an electrode and a dielectric layer and a vibration plate are formed on an MgO substrate, and after forming a pressure chamber and a discharge port, the MgO substrate is removed by etching with an acidic solution or the like, Further pressure chamber. After forming the discharge port, the MgO substrate was removed by etching with an acidic solution or the like, and ink jet formation was performed.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-286953
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the droplet ejecting apparatus disclosed in Patent Document 1, a (100) MgO substrate is used to obtain a PZT-based thin film with good crystallinity oriented in the c-axis direction in the manufacturing process.
[0007]
This (100) MgO substrate has a strong cleavage property on the (100) plane of the crystal. This cleavage property is the same for the (010) plane orthogonal to the (100) plane and the (001 plane). At the same time, there are also scratches and the like on the surface of the MgO substrate caused by polishing in the manufacturing process (the above, Journal of the Chemical Society of Japan, 1993 (11) 1225, and J. Ceram. Soc. Japan 100 [8] 1060).
[0008]
In the step of the conventional example, in the step of joining the structure of the pressure chamber and the discharge port (hereinafter, a casing member) and the MgO substrate (via the electrode and the piezoelectric layer and the diaphragm), a difference in thermal expansion results. Inevitably, bending due to stress occurs. For this reason, there is a problem that cracks in the MgO substrate are apt to occur from the cleavage plane and the production yield is reduced. In addition, when scratches are present, cracks are more likely to occur due to the scratches, lowering the production yield.
[0009]
In addition, since the MgO substrate has a cleavage plane, a certain thickness was required to maintain mechanical strength. Although it is an example, in the above-mentioned literature (J. Ceram. Soc. Japan 100 [8] 1060), the one having a thickness of 500 μm was used. For this reason, there is a problem that the etching time becomes longer in the step of removing the MgO substrate. Since the piezoelectric layer is exposed to the acidic solution used for etching for a long time, it penetrates and invades the piezoelectric layer through pinholes or the like of protective goods, and further causes a reduction in yield.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and has as its object to provide a highly efficient liquid droplet jetting method using a piezoelectric thin film having good crystallinity oriented in the c-axis direction. An object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of manufacturing a device with a high yield.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a droplet ejecting apparatus according to the present invention is a method of manufacturing a droplet ejecting apparatus having a structure in which a piezoelectric member is joined to a casing member having a concave portion, and comprises a single crystal material. Forming the piezoelectric member on the first substrate, wherein the crystal axis direction of the first substrate is a direction having a predetermined offset angle with respect to the longitudinal direction of the concave portion of the casing member. A step of joining the piezoelectric member formed on the first substrate to the casing member, and a step of removing the first substrate.
[0012]
According to the present invention, by setting the crystal axis orientation of the first substrate to a direction having an offset angle with respect to the longitudinal direction of the concave portion of the casing member, the first substrate is offset between the cleavage plane direction and the longitudinal direction of the concave portion. The laminated body of the first substrate and the piezoelectric member is joined to the casing member with a corner.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described in detail.
[0014]
In the present embodiment, a droplet ejecting apparatus having high efficiency and good characteristics using a piezoelectric thin film having good crystallinity oriented in the c-axis direction is manufactured with a high yield. At that time, first, a piezoelectric member is formed on the first substrate. Next, the piezoelectric member side of the laminate of the first substrate and the piezoelectric member is directly joined to a casing member (ink chamber) having a concave portion. Finally, the first substrate is removed.
[0015]
Hereinafter, a method of manufacturing the droplet ejecting apparatus will be described in detail in the order of steps.
[0016]
The step of forming the piezoelectric member on the first substrate will be described.
[0017]
As the first substrate, a single crystal substrate is used so that a piezoelectric thin film with good crystallinity oriented in the c-axis direction can be formed in forming the piezoelectric thin film. Preferred is, for example, an MgO single crystal.
[0018]
First, an MgO plate is produced by cleaving an MgO single crystal grown by an immersion arc melting method or the like along a (100) plane, which is a cleavage plane, and processing it into a plate shape. Further, the MgO plate is cut along a predetermined direction to produce a first substrate having a desired shape.
[0019]
The cutting direction at this time can be a (010) plane direction, which is a cleavage plane existing in the in-plane direction of the MgO plate, or a direction offset from the (001) plane direction. The shape of the first substrate is, for example, a rectangle. In addition, the flatness of the surface of the first substrate can be improved by performing lapping, polishing, and etching using a phosphoric acid solution or the like as necessary. The preferred thickness of the first substrate and the like will be described later.
[0020]
After the first substrate is manufactured, a piezoelectric member is manufactured on the first substrate.
[0021]
At that time, a first electrode, a piezoelectric thin film, a second electrode, and a diaphragm are sequentially formed on the first substrate and processed into a desired shape.
[0022]
The material of the first electrode is appropriately selected from materials having high conductivity and which can withstand heating or the like in a piezoelectric thin film manufacturing process or the like. Preferred examples include noble metal materials such as Pt, Au, Pd, Ir, Rh, and Ru. Further, an alloy or a laminated film made of these noble metal materials can also be used as the material of the first electrode.
[0023]
As a method for forming the first electrode, a conventionally known method for forming a thin film can be appropriately used, and preferred examples include a sputtering method, a resistance heating evaporation method, an electron beam evaporation method, a cluster ion beam method, and an MBE method. Can be
[0024]
The first electrode is preferably an alignment film of the above-mentioned noble metal-based material. The lattice constant of the surface of the alignment film is, for example, about 3.92 nm (JCPDS card 04-0802) for a (100) alignment film of Pt. This matches well with the lattice constant of 4.04 nm (JCPDS card 33-0784) in the a-axis direction of PZT, which is a typical piezoelectric material of the provskite series, and is therefore a piezoelectric substance oriented in the c-axis direction and having good crystallinity. A thin film can be produced. At the time of film formation, as a condition for forming the piezoelectric thin film, it is necessary to supply crystallization energy by heating the substrate, which will be described in detail later.
[0025]
Further, since such an orientation film is formed epitaxially with respect to the first substrate, the direction of the crystal axis parallel to the substrate is also substantially parallel to the crystal axis of the first substrate. Therefore, even after removing the first substrate, the droplet ejection device manufactured by the present manufacturing method can be easily determined by measuring the crystal axis direction of the first electrode by, for example, X-ray diffraction.
[0026]
The piezoelectric material of the piezoelectric thin film is not particularly limited as long as desired driving characteristics can be obtained. Examples of the piezoelectric material include a prosbite-based material such as a PZT-based material, and ZnO. As a method for forming a thin film, a vapor phase growth such as a sputtering method or a CVD method, a sol-gel method, or the like can be used as necessary.
[0027]
When the film thickness is 10 μm or less, a large number of piezoelectric members can be easily manufactured at once using a semiconductor processing process such as photolithography. By forming a piezoelectric material on the first electrode under appropriate film forming conditions, a piezoelectric thin film having good crystallinity and oriented in the c-axis direction is formed.
[0028]
Further, a PZT-based alignment film (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 4057) formed by changing the composition in the film thickness direction is also preferable as the material of the piezoelectric thin film.
[0029]
The material of the second electrode is appropriately selected from materials having high conductivity. Further, it is preferable to have sufficient adhesion to the piezoelectric thin film.
[0030]
After the first electrode, the piezoelectric thin film, and the second electrode are sequentially laminated as described above, a diaphragm is formed and processed into a desired shape. As a diaphragm that is preferably used, a thinned vitreous material, SiO produced by a method such as sputtering, etc. 2 , Metal materials and the like. The joining method and related steps are not particularly limited. For the processing of the shape, it is preferable to use photolithography and etching which are semiconductor processing processes. In this processing step, after forming each layer of the first electrode, the piezoelectric thin film, and the second electrode on the first substrate, or forming a diaphragm and joining to the casing member (ink chamber), the first substrate is removed. After that.
[0031]
A step of forming a casing member having a concave portion and joining a laminate composed of the piezoelectric member and the first substrate to the casing member will be described.
[0032]
The casing member is made of glass, resin, metal, or the like. As a preferred example, a substrate formed by anisotropic etching of a Si single crystal substrate can be cited. In this manner, it is possible to increase the number of elements and the degree of integration of the nozzle by using a semiconductor processing process, and to obtain high resolution as an ink jet. Further, electrodes and circuits used for driving and the like can be formed in advance on the casing member as necessary.
[0033]
In the present embodiment, the first substrate is joined to the casing member such that the crystal axis orientation of the first substrate has an offset angle with respect to the longitudinal direction of the concave portion of the casing member. As a joining method, an appropriate method may be selected from methods capable of joining with high strength. Preferred joining methods are shown in (1) and (2).
[0034]
(1) Adhesion or pressure bonding via a bonding layer: a bonding layer is formed on a bonding surface, and after bonding the surfaces, the first substrate and the casing member are pressed and heated so as to press against each other. Preferred examples of the bonding layer include various adhesives. In addition, a malleable noble metal material such as Au or the like is preferable, and an alloy or a laminated film of these materials can also be used.
[0035]
(2) Anodic bonding: After the surfaces of the first substrate and the casing member are aligned, they are heated in a state where they are pressed against each other, and an electric field is applied between the first substrate and the casing member to perform anodic bonding (G Wallis et al., J. Appl. Phys. 40 (10) 3946).
[0036]
FIG. 1 is a perspective view of a state in which a laminate of a first substrate 1 and a piezoelectric member 2 is joined to a casing member 3 in the present embodiment, as viewed from the first substrate (upper surface) side. The outline of this joining will be described with reference to FIG. FIG. 1 focuses on parts necessary for the description, and some parts such as concave parts are omitted.
[0037]
Referring to FIG. 1, the casing member 3 has a plurality of concave portions 4 and nozzles 5 connected thereto. The concave portion 4 has a shape of length L and width W, and L> W. The plurality of concave portions 4 are arranged and integrated in the horizontal direction (width direction) with their longitudinal directions (length directions) being parallel to each other. Between the concave portions 4 there are partitions 7. The arrow 6 in the figure indicates the crystal axis direction of the first substrate 1 (that is, the cleavage plane direction).
[0038]
Each of the concave portions 4 is arranged side by side in the x direction in FIG. Then, for high integration, the width W of the concave portion 4 is inevitably reduced.
[0039]
On the other hand, in order to obtain a sufficient discharge force from the nozzle 5, a diaphragm that generates pressure corresponding to each concave portion 4 needs a sufficient area. Therefore, the length L of the concave portion 4 needs to be a certain length. Therefore, the shape of the concave portion 4 is L> W.
[0040]
The casing member 3 in which the concave portions 4 are arranged in a highly integrated manner is structurally anisotropic because the partition walls 7 between the concave portions 4 function as stiffeners. The rigidity is high in the longitudinal direction (the y direction in the drawing) of the concave portion 4 and easily deforms greatly in the orthogonal direction (the x direction in the drawing). Therefore, the amount of deflection generated due to the difference in thermal expansion between the first substrate and the first substrate to be joined increases in the x direction in the drawing. Therefore, if there is a cleavage plane of the first substrate in a direction (y direction) orthogonal to the direction in which the casing member is easily bent, the first substrate 1 is more easily broken than the cleavage plane by a force due to bending, and cracks occur. .
[0041]
On the other hand, in the present embodiment, the crystal axis orientation of the first substrate 1 has an offset angle θ in the inner surface direction of the substrate with respect to the longitudinal direction (the y direction in the drawing) of the concave portion 4 of the casing member 3. By setting the direction, the laminate of the first substrate 1 and the piezoelectric member 2 is joined to the casing member 3 with an offset angle θ between the cleavage plane direction and the longitudinal direction of the concave portion 4. Thereby, the cleavage plane of the first substrate 1 becomes non-parallel to the direction in which the breakage due to bending is likely to occur, so that the occurrence of cracks due to cleavage is reduced.
[0042]
Furthermore, in this embodiment, it is more preferable that the offset angle θ satisfies the relationship of 1> tan θ> W / L with respect to the length L and width W of the concave portion 4 of the casing member in the longitudinal direction. Further, the occurrence of cracks due to cleavage is reduced.
[0043]
FIG. 2 shows a state in which the laminated body of the first substrate 1 and the piezoelectric member 2 satisfies 1> tan θ> W / L and is joined to the casing member 3 from the first substrate (upper surface) side in the present embodiment. FIG. The outline of the joining will be described with reference to FIG. FIG. 2 focuses on portions necessary for explanation, and some portions such as concave portions are omitted.
[0044]
Referring to FIG. 2, the casing member 3 has a plurality of concave portions 4 and a plurality of nozzles 5 connected thereto. The concave portion 4 has a shape of length L and width W, and L> W. The plurality of concave portions 4 are arranged in a horizontal direction (width direction) with their longitudinal directions (length directions) parallel to each other, and are integrated. Between the concave portions 4 there are partitions 7. Arrow 6 in the drawing indicates the crystal axis direction (cleavage plane direction) of the first substrate. Then, the offset angle θ of the cleavage plane direction of the first substrate 1 with respect to the longitudinal direction of the concave portion 4 satisfies the relationship of 1> tan θ> W / L. Therefore, two points (1) and (2) on the straight line of the arrow 6 are on the same cleavage plane and on different partition walls 7.
[0045]
Thereby, one cleavage plane is fixed at two places by the partition wall 7. Therefore, since the cleavage plane of the first substrate 1 is not parallel to the longitudinal direction of the concave portion 4, the first substrate 1 is not easily broken, and the cleavage plane is fixed to the partition wall 7 at two places. By doing so, the shearing force (here, the force in the thickness direction of the first substrate 1) applied from both sides of the cleavage plane is reduced, and the occurrence of cracks due to cleavage is reduced.
[0046]
Note that the MgO substrate used as the first substrate 1 is generally preferably as thin as possible because it is removed by etching with an acidic solution or the like in a later step. In the manufacturing process of the liquid droplet ejecting apparatus according to the present embodiment, the occurrence of cracks due to cleavage is reduced, so that a thinner MgO substrate than before can be used.
[0047]
The range of the thickness of the MgO substrate is preferably 50 μm to 300 μm. By using such a thin substrate, the etching time can be shortened. In addition, it is possible to reduce the penetration of the acidic solution used for etching into the piezoelectric layer through the protective material and the pinholes of the etching stop layer, so that the yield can be further improved.
[0048]
According to the present embodiment, since cracks are unlikely to occur on the first substrate 1, a droplet ejecting apparatus can be manufactured with a high yield using a thin substrate.
[0049]
The step of removing the first substrate will be described.
[0050]
First, a resist or the like is applied as a protective material to a necessary portion such as a portion where the piezoelectric thin film is exposed. Next, the first substrate 1 is immersed in an acidic solution such as phosphoric acid and stirred to dissolve the first substrate 1. Also in this step, heating may be performed as necessary to promote dissolution. Then, after the dissolution is completed, the protective material is removed.
[0051]
After removing the first substrate, finally, the tip portion of the nozzle 5 is cut using a dicing sea to form a discharge port, and a droplet ejecting apparatus is manufactured.
[0052]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a manufacturing method capable of manufacturing a droplet ejection device having high efficiency and good characteristics at a high yield.
[0053]
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[0054]
(First embodiment)
As a first embodiment, a piezoelectric element and a droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG. 1 were manufactured. The manufacturing process will be described. FIG. 3 is a diagram showing each step of a method for manufacturing a droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG.
[0055]
First, as shown in FIG. 3A, a piezoelectric member 2 was formed on a first substrate 1.
[0056]
As the first substrate 1, an MgO single crystal having a thickness of 300 μm and a plane orientation of (100) was used. The piezoelectric member 2 was manufactured by sequentially laminating a first electrode 8, a piezoelectric thin film 9, and a second electrode 10, forming a vibration plate 11, and processing it into a desired shape.
[0057]
Hereinafter, creation of each layer constituting the piezoelectric member 2 will be described in detail.
[0058]
The first electrode 8 was formed by depositing 100 nm of Pt using a sputtering method. The film formation method uses Pt as a target, and a high frequency power of 4 W / cm with respect to the target in an Ar gas atmosphere. 2 And the substrate temperature was set to 600 ° C. When the first electrode 8 thus obtained was evaluated using an X-ray diffractometer (RAD-2R, manufactured by Rigaku Corporation), it was found that the crystal axis (100) was oriented in the direction perpendicular to the substrate surface. confirmed.
[0059]
The piezoelectric thin film 9 is made of Pb (Zr x Ti (1-x) ) O 3 Was formed by depositing 3 μm. The film formation method uses Pb as a target. 1.1 Zr 0.5 Ti 0.5 O x Ar and O 2 In a gas mixture of 5: 1 with high frequency power of 1.5 W / cm to the target 2 And the substrate temperature was 620 ° C. When the piezoelectric thin film 9 thus obtained was evaluated by an X-ray diffractometer (RAD-2R, manufactured by Rigaku Corporation), it was confirmed that the c-axis of the crystal was oriented in a direction perpendicular to the substrate surface. Was done.
[0060]
The second electrode 10 was formed by depositing 100 nm of Pt and 20 nm of Al in the same manner as the first electrode 8. However, the substrate was not heated in this step.
[0061]
The diaphragm 11 is made by cleaning a Corning # 7740 glass having a thickness of 40 μm as a diaphragm material, superimposing the glass on the second electrode 10 and heating the glass to 350 ° C. A voltage was applied at 200 V using the side as an anode, and further pressed to join. Further, the diaphragm material was polished using a lapping machine and an abrasive to make the thickness thinner to an average of 3 μm, and flattened by removing irregularities and undulations. Further, at the time of polishing, the abrasive particle diameter was gradually reduced, and finally the polished surface was mirror-finished using colloidal silica. Thus, the diaphragm 11 having a flat polished surface was formed.
[0062]
Next, as shown in FIG. 3B, a casing member 3 was manufactured. In the casing member 3, a concave portion 4 and a nozzle 5 were formed from the surface by photolithography and anisotropic etching using a TMAH solution on a Si single crystal substrate having a plane orientation of (100), and an opening was formed from the back side.
[0063]
Next, as shown in FIG. 3C, the laminate of the casing member 3, the piezoelectric member 2, and the first substrate 1 was joined. At this time, as shown in FIG. 1, the crystal axis orientation of the first substrate 1 was bonded in a direction having an offset angle θ with respect to the longitudinal direction of the concave portion 4 of the casing member 3. In FIG. 1, the concave portion 4 of the casing member 3 has a length L of 3 mm, a width W of 100 μm, and nozzles integrated so as to have a degree of integration of 200 dpi, and is arranged in the x direction shown in FIG. Placed. The offset angle θ was 1.5 °.
[0064]
In the joining method, the joining surfaces were cleaned and overlapped, heated to 350 ° C., and a voltage of 200 V was applied between the diaphragm 11 and the casing member 3 with the casing member 3 side as an anode, and further pressed to join.
[0065]
Next, as shown in FIG. 3D, the first substrate 1 was removed. The first substrate 1 was removed by applying a resist or the like as a protective material in advance to a portion other than the exposed surface, and immersing in a phosphoric acid solution to dissolve and remove MgO. The conditions were as follows: a phosphoric acid solution of 85% phosphoric acid was used, and the mixture was stirred while maintaining the temperature at 80 ° C., and dissolved in about 3 hours. At this time, by using the first electrode 8 as an etching stop layer, a phosphoric acid solution as an etching solution was prevented from entering the piezoelectric thin film.
[0066]
Finally, as shown in FIG. 3E, the first electrode 8, the piezoelectric thin film 9, and the second electrode 10 were patterned by photolithography and etching to form the piezoelectric element portion 2. Further, the tip of the discharge port was cut using a dicing saw to form a discharge port 12.
[0067]
As described above, the droplet ejecting apparatus of the present example was manufactured. Then, when the droplet ejection characteristics of the droplet ejection device of this embodiment were examined, good droplet ejection characteristics were shown by applying a voltage.
[0068]
As described above, according to the method of manufacturing the droplet ejecting apparatus of the present embodiment, the crystal axis orientation of the first substrate 1 has the offset angle θ with respect to the longitudinal direction (the y direction in the drawing) of the concave portion 4 of the casing member 3. By joining in the directions, the cleavage plane of the first substrate 1 can be made non-parallel to the direction in which the breakage due to bending is likely to occur, and the occurrence of cracks due to cleavage can be reduced. For this reason, in the formation of the piezoelectric thin film, a single-crystal substrate having a high cleavability, such as MgO, which is used to produce a piezoelectric thin film having good crystals oriented in the c-axis direction, is used as the first substrate 1 to achieve high efficiency. A droplet ejection device having good characteristics can be manufactured with a high yield.
[0069]
(Second embodiment)
As a second example, a piezoelectric element and a droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG. 2 were manufactured. In the piezoelectric element having the structure shown in FIG. 2, the offset angle θ satisfies the relationship of 1> tan θ> W / L with respect to the length L and the width W of the concave portion 4 of the casing member 3 in the longitudinal direction. I have. Thereby, one cleavage plane is bonded to at least two partition walls 7.
[0070]
FIG. 4 is a diagram showing each step of the method for manufacturing the droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG.
[0071]
First, as shown in FIG. 4A, a first electrode 8, a piezoelectric thin film 9, and a second electrode 10 were formed on the first substrate 1 by laminating them in this order. As the first substrate 1, an MgO single crystal having a thickness of 100 μm and a plane orientation of (100) was used. The MgO substrate used in the present embodiment is formed by cleaving an MgO single crystal grown by an immersion arc melting method or the like along a (100) plane, which is a cleavage plane, and processing it into a plate shape. It is cut into a square having one side in a direction having an offset angle of 10 ° with respect to the existing cleavage plane (010) plane. Further, the surface is thinned to a thickness of 100 μm by lapping, and a highly flat substrate is manufactured by polishing or etching using a phosphoric acid solution or the like. The first electrode 8 and the piezoelectric thin film 9 were produced in the same manner as in the first embodiment. In addition, it was confirmed that these crystal orientations were evaluated in the same manner as in the first example, and were almost the same as those in the first example. Further, the second electrode 10 was manufactured in the same manner as in the first embodiment.
[0072]
Next, as shown in FIG. 4B, a casing member 3 was produced. In the casing member 3, a concave portion 4 and a nozzle 5 were formed on the Si single crystal substrate having a plane orientation of (100) by photolithography and etching with a TMAH solution, and an opening was formed from the back surface.
[0073]
Next, as shown in FIG. 4C, the diaphragm 11 was formed on the casing member 3. The diaphragm 11 is obtained by cleaning Corning # 7740 glass having a thickness of 40 μm as a diaphragm material, overlapping the cleaned casing member 3, heating to 300 ° C., and forming a casing between the diaphragm material and the casing member 3. A voltage of 200 V was applied using the member 3 as an anode, and they were pressed together for bonding. Further, the diaphragm material was polished by using a lapping machine and an abrasive, and thinned to an average thickness of 3 μm, and flattened by removing irregularities and undulations. Further, at the time of polishing, the abrasive particle diameter was gradually reduced, and finally the polished surface was mirror-finished using colloidal silica. Thus, the diaphragm 11 having a flat polished surface was formed.
[0074]
Next, as shown in FIG. 4 (d), the first electrode 8, the piezoelectric thin film 9, and the second electrode 10 are provided on the first substrate 1 and the vibration plate 11 of the joined body of the vibration plate 11 and the casing member 3. The second electrode 10 of the stacked body was joined. FIG. 2 is a perspective view of the bonding state in this step as viewed from above. In the present embodiment, the concave portion 4 of the casing member 3 has a length L of 3 mm, a width W of 100 μm, and nozzles integrated so as to have an integration degree of 200 dpi, and is arranged in the x direction shown in FIG. Placed. In this joining step, one side direction of the first substrate 1 is joined in parallel to the longitudinal direction of the concave portion 4 of the casing member 3, so that the cleavage plane is previously formed on the first substrate 1 with respect to the longitudinal direction of the concave portion 4. It was joined so as to have the provided offset angle θ. That is, the offset angle θ = 10 °. tan θ ≒ 0.18, which is a sufficiently large value with respect to W / L３３0.033 of the concave portion 4, and satisfies the relationship of 1> tan θ> W / L.
[0075]
In this way, as shown in FIG. 2, the two cleavage locations of one cleavage plane are bonded to the partition wall 7 so as to be fixed. As a bonding method at that time, a method was used in which a voltage of 200 V was applied between the diaphragm 11 and the second electrode 10 with the second electrode 10 side as an anode, and further pressed to bond.
[0076]
Next, as shown in FIG. 4E, the first substrate 1 was removed. The first substrate 1 was removed by applying a resist or the like as a protective material in advance to a portion other than the exposed surface, and immersing in a phosphoric acid solution to dissolve and remove MgO. At that time, a phosphoric acid solution of 85% phosphoric acid was used and stirred while maintaining the temperature at 80 ° C., and dissolved in about 45 minutes. Further, by using the first electrode 8 as an etching stop layer, a phosphoric acid solution as an etching solution was prevented from entering the piezoelectric thin film.
[0077]
Finally, as shown in FIG. 4F, the first electrode 8, the piezoelectric thin film 9, and the second electrode 10 were patterned by photolithography and etching to form the piezoelectric element portion 2. Further, the tip of the discharge port was cut using a dicing saw to form a discharge port 12.
[0078]
As described above, the droplet ejecting apparatus of the present example was manufactured. Then, when the droplet ejection characteristics of the droplet ejection device of this embodiment were examined, good droplet ejection characteristics were shown by applying a voltage.
[0079]
As described above, according to the manufacturing method of the droplet ejecting apparatus of the present embodiment, similarly to the first embodiment, the crystal axis orientation of the first substrate 1 is set to the longitudinal direction of the concave portion 4 of the casing member 3 (the y direction in the drawing). ), The cleavage plane of the first substrate 1 can be made non-parallel to the direction in which breakage due to bending is likely to occur, thereby reducing the occurrence of cracks due to cleavage. Can be done. For this reason, in the formation of the piezoelectric thin film, a single-crystal substrate having a high cleavability, such as MgO, which is used to produce a piezoelectric thin film having good crystals oriented in the c-axis direction, is used as the first substrate 1 to achieve high efficiency. A droplet ejection device having good characteristics can be manufactured with a high yield.
[0080]
Further, in this embodiment, the offset angle θ is set to satisfy the relationship of 1> tan θ> W / L with respect to the length L and width W of the concave portion of the casing member in the longitudinal direction, so that one cleavage Since at least two portions of the surface are fixed on the partition walls, the shearing force (force of displacement in the thickness direction of the substrate) applied to the cleavage plane is further reduced, and the occurrence of cracks due to cleavage can be further reduced.
[0081]
Further, in this embodiment, since the manufacturing method in which the cracks of the first substrate 1 are reduced is used, the etching time can be shortened by using a thin substrate, and the acidic solution used for the etching can be applied to the protective material or the etching stop layer. Therefore, it is possible to reduce the intrusion into the piezoelectric layer through the pinholes and the like, so that the yield can be further improved.
[0082]
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described.
(First embodiment)
A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus having a structure in which a piezoelectric member is joined to a casing member having a concave portion,
Forming the piezoelectric member on the first substrate made of a single crystal material;
The piezoelectric member and the casing member formed on the first substrate such that a crystal axis direction of the first substrate is a direction having a predetermined offset angle with respect to a longitudinal direction of the concave portion of the casing member. Joining with
Removing the first substrate.
[0083]
According to this embodiment, by setting the crystal axis direction of the first substrate to a direction having an offset angle with respect to the longitudinal direction of the concave portion of the casing member, the first substrate can be positioned between the cleavage plane direction and the longitudinal direction of the concave portion. Since the laminate of the first substrate and the piezoelectric member is joined to the casing member with an offset angle, the cleavage plane of the first substrate becomes non-parallel to the direction in which the breakage due to bending is likely to occur, and the cleavage is performed. The occurrence of cracks due to cracks is reduced.
[0084]
(Second embodiment)
The length of the concave portion in the longitudinal direction is L, the width is W, and the offset angle is θ, and the piezoelectric member and the casing member are joined so as to satisfy the relationship of 1> tan θ> W / L. , A method of manufacturing the droplet ejecting apparatus according to the first embodiment.
[0085]
According to this embodiment, the offset angle θ is set to satisfy the relationship of 1> tan θ> W / L with respect to the length L and width W of the concave portion of the casing member in the longitudinal direction. Since at least two portions of the cleavage plane are fixed on the partition walls on both sides of the concave portion, the shearing force (force of displacement in the thickness direction of the substrate) applied to the cleavage plane is further reduced, and the generation of cracks due to cleavage is reduced. It can be further reduced.
[0086]
(Third embodiment)
The method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to the first or second embodiment, wherein the first substrate is removed by etching.
[0087]
According to this embodiment, since the possibility of crack generation is reduced for the first substrate, a thin substrate can be used, the first substrate can be removed by short-time etching, and the acidic solution used for etching can be used. Penetrating into the piezoelectric member through the protective material or the pinhole of the etching stop layer is reduced, and the yield is further improved.
[0088]
(Fourth embodiment)
The method according to any one of the first to third embodiments, wherein the first substrate is made of MgO single crystal.
[0089]
According to the present embodiment, it is possible to use the MgO substrate that can obtain a thin film with good crystal orientation in the manufacturing process while reducing the possibility of occurrence of cracks due to cleavage, so that it has high efficiency and good characteristics. A droplet ejecting apparatus can be manufactured with a high yield.
[0090]
(Fifth embodiment)
5. The method according to claim 1, wherein the first substrate has a thickness of 50 μm to 300 μm. 6.
[0091]
(Sixth embodiment)
A droplet ejecting device having a structure in which a piezoelectric member is joined to a casing member having a concave portion,
A casing member having a concave portion;
The first substrate is formed on a first substrate made of a single-crystal material, and the first substrate has a crystal axis orientation in a direction having a predetermined offset angle with respect to a longitudinal direction of the concave portion of the casing member. A liquid ejecting apparatus comprising: a pressure source member joined to the casing member by being joined to the casing member together with the substrate and removing the first substrate.
[0092]
(Seventh embodiment)
The droplet ejection device according to the sixth embodiment, wherein the first substrate is removed by etching.
[0093]
(Eighth embodiment)
The droplet ejecting apparatus according to the sixth or seventh embodiment, manufactured using a substrate made of MgO single crystal as the first substrate.
[0094]
(Ninth embodiment)
The droplet ejecting apparatus according to any one of the sixth to eighth embodiments, wherein the first substrate has a thickness of 50 μm to 300 μm.
[0095]
(Tenth embodiment)
A droplet ejecting device having a structure in which a piezoelectric member is joined to a casing member having a concave portion,
A casing member having a concave portion;
A piezoelectric member including a layer having a crystal axis orientation having a predetermined offset angle with respect to a longitudinal direction of the concave portion.
[0096]
(Eleventh embodiment)
The piezoelectric member and the casing member were joined such that the length in the longitudinal direction of the concave portion was L, the width was W, and the offset angle was θ, so that the relationship of 1> tan θ> W / L was satisfied. The droplet ejecting apparatus according to any one of the sixth to tenth embodiments.
[0097]
【The invention's effect】
According to the present invention, by setting the crystal axis orientation of the first substrate to a direction having an offset angle with respect to the longitudinal direction of the concave portion of the casing member, the first substrate is offset between the cleavage plane direction and the longitudinal direction of the concave portion. Since the laminate of the first substrate and the piezoelectric member is joined to the casing member with an angle, the cleavage plane of the first substrate becomes non-parallel to the direction in which the breakage due to bending is likely to occur, and The occurrence of cracks is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a state in which a laminate of a first substrate and a piezoelectric member is joined to a casing member according to an embodiment of the present invention, as viewed from the first substrate (upper surface) side.
FIG. 2 is a view showing a state in which a laminate of a first substrate and a piezoelectric member satisfies 1> tan θ> W / L and is joined to a casing member from the first substrate (upper surface) side in the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing each step of a method for manufacturing a droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG.
FIG. 4 is a view showing each step of a method for manufacturing a droplet ejecting apparatus having the structure shown in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
1 First substrate
2 Piezoelectric members
3 Casing member
4 Concave part
5 nozzles
6 arrows
7 partition
8 First electrode
9 Piezoelectric thin film
10 Second electrode
11 diaphragm
12 outlet
