JP2005349714A - Method for manufacturing liquid discharge head and liquid discharge head - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子の駆動力によってインク等液体を吐出するオンデマンド型の液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an on-demand type liquid discharge head that discharges a liquid such as ink by a driving force of a piezoelectric element, and a liquid discharge head.
近年、高品位のカラー印刷を安価に行うプリンターとしてインクジェットプリンター等の液体吐出記録装置が普及している。液体吐出記録装置は、紙面への印刷のみならず、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分野への応用が期待されている。代表的な液体吐出記録装置の方式としては、圧電素子を用いる圧電方式と、ヒーター加熱を用いるサーマル方式があり、いずれも高性能化が進んでいる。 In recent years, liquid discharge recording apparatuses such as inkjet printers have become widespread as printers that perform high-quality color printing at low cost. The liquid discharge recording apparatus is expected to be applied not only to printing on paper but also to a very wide range of fields such as textile printing, coating of industrial chemicals and pattern materials. As a typical liquid discharge recording apparatus, there are a piezoelectric system using a piezoelectric element and a thermal system using heater heating, both of which have advanced performance.
圧電方式の液体吐出記録装置に関しては、現在製品化されているものは、一般にバルクの圧電体、例えばPb(Zrx Ti(1-x ))O3 (以下「PZT」という)などを用いており、このことから、ヘッドの高密度化、長尺化には限界があるといえる。そこで、この技術的課題を解決するために、圧電体に薄膜を用いた液体吐出ヘッドの作製も試みられている。圧電体に薄膜を用いた液体吐出ヘッドの製造方法の一つとしては、特許文献1等に開示されている方法がある。この方法では、まず、Si基板を加熱することにより、表面にSiO2 熱酸化膜を形成し、これを振動板とする。さらに、この振動板上に下部電極、圧電膜、上部電極を形成する。その後裏面側からSi基板をエッチングすることにより液流路を形成し、最後にこの液流路をノズルプレートで被い圧力室を形成する。この方法は、圧電素子を液流路形成前に行うことに特徴がある。
As for the piezoelectric type liquid discharge recording apparatus, what is currently commercialized is generally a bulk piezoelectric material such as Pb (Zr x Ti (1-x) ) O 3 (hereinafter referred to as “PZT”). Therefore, it can be said that there is a limit to increasing the density and length of the head. In order to solve this technical problem, an attempt has been made to produce a liquid discharge head using a thin film as a piezoelectric body. As one method for manufacturing a liquid discharge head using a thin film as a piezoelectric body, there is a method disclosed in
これ以外の製造方法としては、まず、Si基板に液流路を異方性エッチングにより形成し、該Si基板上に、Si基板と熱膨張係数のほぼ等しいガラスからなる振動板を陽極接合することにより圧力室を形成し、振動板上に圧電素子を形成する方法がある。 As another manufacturing method, first, a liquid flow path is formed on the Si substrate by anisotropic etching, and a diaphragm made of glass having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the Si substrate is anodic bonded on the Si substrate. There is a method in which a pressure chamber is formed by the method and a piezoelectric element is formed on a vibration plate.
図5は一従来例による液体吐出ヘッドを示すもので、Si基板101に圧力室102、液供給口103、ノズル104等の液流路となる溝を異方性エッチングにより形成し、その上に振動板105を陽極接合し、振動板105上の、圧力室102に対応する部位に、下部電極106a、圧電膜106b、上部電極106cを有する圧電素子106が設けられる。
FIG. 5 shows a liquid discharge head according to a conventional example. A groove serving as a liquid flow path such as a
このような液体吐出ヘッドに使用される圧電体として以下のようなものがある。まず、バルク体を用いるものとしては、バルクセラミックスをSi基板上に接合された振動板に貼付ける方法(特許文献2参照)や、圧電体の薄膜を用いるものとしては、別の基板上に薄膜状の電極および圧電体からなる圧電素子を作製し、該圧電素子をSi基板上の振動板に接着(転写)する方法(特許文献3参照)や、スクリーン印刷によって振動板に薄膜状の圧電素子を直接形成する方法(特許文献4および特許文献5参照)がある。
液流路を圧電素子形成前に加工する製造方法においては、液体吐出ヘッドの高密度化、高精細化、長尺化を考慮した場合、薄膜状の圧電体である圧電膜を用いることは必須であり、特に、圧電膜を振動板上に直接成膜する方法が将来的に必要な技術となってくると考えられる。 In a manufacturing method that processes a liquid flow path before forming a piezoelectric element, it is essential to use a piezoelectric film, which is a thin film piezoelectric body, in consideration of high density, high definition, and lengthening of the liquid discharge head. In particular, it is considered that a method of directly forming a piezoelectric film on a vibration plate will become a necessary technique in the future.
しかしながら、成膜技術によって圧電素子を作製する場合、振動板上に、液流路に対応する圧電体の薄膜を帯状にパターン成膜すると、圧電素子の駆動振動により、圧電膜等の剥離やクラックが生じ、特に、膜端においてこの現象は顕著に発生する。 However, when a piezoelectric element is manufactured by a film formation technique, if a piezoelectric thin film corresponding to the liquid flow path is formed into a strip pattern on the diaphragm, the piezoelectric film is peeled or cracked by the driving vibration of the piezoelectric element. In particular, this phenomenon occurs remarkably at the film edge.
また、吐出の安定性を向上させるためには、インク等液体を吐出する際に圧力室のみに振動を与え、液供給口上では変位しないことが必要である。従って、圧力室上のみに圧電素子を形成する構成が望ましいが、この場合は、前述のように圧電素子の剥離の確率が高くなる。 In order to improve ejection stability, it is necessary to apply vibration only to the pressure chamber when ejecting liquid such as ink and not to displace on the liquid supply port. Therefore, a configuration in which the piezoelectric element is formed only on the pressure chamber is desirable, but in this case, the probability of peeling of the piezoelectric element is increased as described above.
圧電素子の上部電極にワイヤーボンディングによって配線を接続する場合も、変位する圧電膜上では望ましくない。 Even when wiring is connected to the upper electrode of the piezoelectric element by wire bonding, it is not desirable on the piezoelectric film that is displaced.
さらに、振動板上に薄膜状の圧電体を直接形成する製造方法では、振動板としてガラスを用いると、ガラスの軟化点以下の温度で圧電膜を作製する必要がある。ところが、優れた特性を有するPZTの圧電膜を作製する場合は、少なくとも600℃以上の温度を必要とする。また、圧力室はSi基板とガラスを陽極接合することにより形成しているため、Si基板、ガラスそれぞれの熱膨張係数を等しくする必要があり、これらの理由から、振動板には、耐熱性を有し、しかもSiと熱膨張係数が等しいという条件が要求され、振動板材料の選択の幅は制限される。従って、振動板材料の選択幅を広げるためにも、ガラスの軟化点に影響されることなく、良質の圧電膜を形成する技術が望まれている。 Furthermore, in a manufacturing method in which a thin film piezoelectric body is directly formed on a vibration plate, if glass is used as the vibration plate, it is necessary to produce the piezoelectric film at a temperature below the softening point of the glass. However, when producing a PZT piezoelectric film having excellent characteristics, a temperature of at least 600 ° C. is required. Further, since the pressure chamber is formed by anodic bonding of the Si substrate and the glass, it is necessary to make the thermal expansion coefficients of the Si substrate and the glass equal. For these reasons, the diaphragm has heat resistance. In addition, the condition that the thermal expansion coefficient is equal to that of Si is required, and the selection range of the diaphragm material is limited. Therefore, a technique for forming a high-quality piezoelectric film without being affected by the softening point of glass is desired in order to expand the selection range of the diaphragm material.
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、アモルファスの圧電体を低温でしかも効率的に結晶化させることを可能にし、吐出性能の向上や低価格化に大きく貢献できる液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and enables an amorphous piezoelectric body to be efficiently crystallized at a low temperature, thereby improving the discharge performance and reducing the price. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a liquid discharge head and a liquid discharge head that can greatly contribute.
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、圧電素子によって圧力室を加圧し、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記圧電素子の材料としてアモルファスの圧電体膜を形成する工程と、該アモルファスの圧電体膜にレーザー光を照射して結晶化させることで前記圧電素子を形成する工程と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention is a method for manufacturing a liquid discharge head in which a pressure chamber is pressurized by a piezoelectric element and liquid is discharged from a discharge port. The method includes a step of forming a piezoelectric film and a step of forming the piezoelectric element by crystallizing the amorphous piezoelectric film by irradiating a laser beam.
アモルファスの圧電体膜の結晶化にレーザーアニールを用いることで、圧力室上の圧電体膜のみを選択的に結晶化させ、液供給口付近の領域をアモルファスと結晶が混在する中間層を含む非可動領域として残すことができる。 By using laser annealing to crystallize the amorphous piezoelectric film, only the piezoelectric film on the pressure chamber is selectively crystallized, and the region near the liquid supply port includes an intermediate layer containing amorphous and crystals. It can be left as a movable area.
液供給口上では圧電素子による振動板の変位が起こらないため、インク等液体の吐出特性に優れた液体吐出ヘッドの作製が可能となる。また、圧電素子の端部を変位しないように構成することにより、圧電膜等の剥離を効果的に防止することができる。さらに、この変位しない端部に外部配線を接続することにより、強固な配線が可能となる。 Since the vibration plate is not displaced by the piezoelectric element on the liquid supply port, it is possible to manufacture a liquid discharge head having excellent liquid discharge characteristics such as ink. Further, by configuring the end portion of the piezoelectric element so as not to be displaced, peeling of the piezoelectric film or the like can be effectively prevented. Further, by connecting an external wiring to the end portion that is not displaced, a strong wiring can be achieved.
レーザーアニールによる結晶部分とアモルファス状態で残る部分の境界付近への応力集中を回避するために、境界付近でレーザー強度を連続的に変化させ、アモルファスと結晶が混在する中間層を設ける。 In order to avoid stress concentration near the boundary between the crystal portion and the portion remaining in the amorphous state due to laser annealing, the laser intensity is continuously changed near the boundary to provide an intermediate layer in which amorphous and crystals are mixed.
アモルファスの圧電体膜を結晶化する工程で、部分的かつ選択的な加熱が自在であるレーザーアニールを用いることにより、基板全体の加熱によってアニールする場合に比べて、ガラス等の振動板の昇温による変形や軟化を回避できるうえに、基板と振動板の熱膨張係数差の影響も少なくなるため、振動板材料の選択の範囲が広がるという利点もある。 In the process of crystallizing an amorphous piezoelectric film, laser annealing, which allows partial and selective heating, can be used to raise the temperature of a vibrating plate such as glass compared to annealing by heating the entire substrate. In addition to avoiding deformation and softening caused by the above, there is an advantage that the range of selection of the diaphragm material is widened because the influence of the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the diaphragm is reduced.
図1は一実施の形態による液体吐出ヘッドを示す。この液体吐出ヘッドは、まず基板であるSi基板1に圧力室2、液供給口3、ノズル4等の液流路となる溝を加工し、その上に、ガラス等の振動板5を陽極接合し、その上に、下部電極11、PZT等の圧電膜12を含む圧電素子10を形成したもので、上部電極13には、パッド14を介してワイヤーボンディングによる配線15が接続されている。
FIG. 1 shows a liquid discharge head according to an embodiment. In this liquid discharge head, first, a groove serving as a liquid flow path such as a
圧電膜12は、レーザーアニールにより、アモルファスの圧電体膜を圧力室2の形状に対応して部分的かつ選択的に結晶化したレーザーアニール膜である。結晶化した圧電膜12は上部電極13、下部電極11に電圧を印加すると圧電現象を生じるが、液供給口3に対応する残りのアモルファス部分12bでは圧電現象は生じない。また、圧電現象を生ずる部分の圧電膜12と圧電現象を生じないアモルファス部分12bの境界においてクラック等の発生を低減するために、両者の間に、結晶とアモルファスが混在する中間層12cを形成した。
The
このように、圧力室2上のみに圧電膜12を設け、液供給口3やパッド14等の結線部分上には非可動領域であるアモルファス部分12bおよび中間層12cを設けることにより、安定性および耐久性に優れた液体吐出ヘッドの作製が可能となる。また、振動板5上に形成したPZT等を局部的にレーザーアニールによって結晶化するものであるため、基板全体を加熱する場合に比べて、ガラス等の振動板5に対する熱の影響を少なくすることができ、振動板材料の選択幅が拡大する。
As described above, the
図2は実施例1による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図であり、まず、同図の(a)に示すように、Si(100)基板1に、異方性エッチングにより図1の圧力室2、液供給口3、ノズル4等を含む液流路となる溝を形成する。この方法では、半導体加工プロセスを用いてノズルの高密度化・長尺化が可能で、液体吐出ヘッドとして高い解像度を得ることができる。
FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing method of the liquid discharge head according to the first embodiment. First, as shown in FIG. 2A, the pressure of FIG. 1 is applied to a Si (100)
次に、図2の(b)に示すように、振動板5となるガラス板を、Si基板1上に陽極接合する。陽極接合の方法は、Si基板1とガラス板を押し付け合うようにした状態で加熱し、これらの間に電界を印加して行う。ガラス材料としては、Siと陽極接合できる材料であることが必要であり、また、その上に形成したアモルファス状のPZTをレーザーアニールにより結晶化させることから、Si基板と熱膨張係数が近い程、また軟化点温度が高い程好ましい。本実施例では耐熱ガラスを用いた。ガラスを陽極接合した後、厚さが1〜10μmになるまで研磨し、これを振動板5とした。
Next, as shown in FIG. 2 (b), a glass plate to be the
次に、図2の(c)に示すように、振動板5上に、スパッタ法によりTi膜および下部電極11となるPt膜を室温で成膜した。ここで、Ti膜は密着層であり約20nmの厚さに成膜した。また、Pt膜は圧電素子の下部電極11として、約100〜300nmの厚さに成膜した。ここで、電極材料はPtに限らず、Au、Al、Ni、Pt等の金属材料、またはSrRuO3 、LaNiO3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 2C, a Ti film and a Pt film to be the
次に、図2の(d)に示すように、アモルファスのPZTである圧電体膜12aをスパッタ法により室温で約1〜10μmの厚さに成膜した。PZTの成膜法はスパッタ法に限らず、MOCVD法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。また、膜厚は振動板5の厚さとの関係で最も変位量が大きい膜厚を選択する必要がある。
Next, as shown in FIG. 2D, a
図2の(e)に示すレーザーアニール工程では、レーザー光Pを用いて圧力室2上の部位にある圧電体膜12aを選択的に結晶化させる。ここで、アモルファスのPZTの透過率Tは、図4のグラフに示すようにレーザー光の波長によって変化することが知られており、波長が360nm以下のレーザーを選択する必要がある。この理由から、レーザー光PとしてArF(λ=193nm)、KrF(λ=248nm)、XeCl(λ=308nm)、XeF(λ=351nm)を用いることができる。
In the laser annealing step shown in FIG. 2 (e), the
レーザーアニール工程では、生産性を向上させるために、レーザー光Pは耐熱ガラスの振動板5が変形しない程度に、照射面積を広くすることができるものを用いるか、もしくは同時に複数のレーザーを用いるとよい。また、アモルファスと結晶の境界部分は、圧電素子の駆動に起因する応力の集中を避けるために、レーザー強度を徐々に変化させるか、あるいはレーザーの照射時間を変化させて、図1に示すように、アモルファスおよび結晶が混在する中間層12cを形成する。中間層12cは、圧力室2側では結晶化したPZTの割合が多く、液供給口3側ではアモルファス状のPZTの割合が多い構成とする。
In the laser annealing step, in order to improve productivity, the laser beam P may be one that can widen the irradiation area to the extent that the
次に、図2の(f)に示すように、上部電極13としてPt膜を約100〜300nmの厚さに成膜した。この場合も、スパッタ法を用いて室温で成膜した。ここで、電極材料としてPtに限らずAu、Al、Ni、Pt等の金属材料、またはSrRuO3 、LaNiO3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。また、電極の成膜には、MOCVD法等の真空成膜法やゾルゲル法等を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 2F, a Pt film was formed as the
このように圧電素子層11〜13を形成した後、図2の(g)に示すように液流路に対応する部分以外の部分の上部電極13と圧電膜12をエッチングして除去するパターニングを行う。最後に、前述のように非可動領域にワイヤーボンディングによる配線をする。
After the piezoelectric element layers 11 to 13 are formed in this way, patterning is performed to etch and remove the
図3は実施例2による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図であり、同図の(a)に示すように、まず、Si(100)基板1に、異方性エッチングにより図1の圧力室2、液供給口3、ノズル4等を含む液流路を形成する。なお、図3の(a)〜(d)の工程は図2の(a)〜(d)と同様である。また、上部電極23以外は実施例1と同様であるから同一符号で表わす。
FIG. 3 is a process diagram showing a method of manufacturing a liquid discharge head according to the second embodiment. As shown in FIG. 3A, first, the pressure of FIG. 1 is applied to a Si (100)
次に、図3の(b)に示すように、振動板5となるガラス板を、Si基板1上に陽極接合する。陽極接合の方法は、Si基板1とガラス板を押し付け合うようにした状態で加熱し、これらの間に電界を印加して行う。ガラス材料としては、Siと陽極接合できる材料であることが必要であり、また、その上に形成したアモルファスのPZTをレーザーアニールにより結晶化させることから、Si基板と熱膨張係数が近い程、また軟化点温度が高い程好ましい。本実施例では耐熱ガラスを用いた。ガラス板を陽極接合した後、厚さが1〜10μmになるまで研磨し、これを振動板5とした。
Next, as shown in FIG. 3B, a glass plate to be the
次に、図3の(c)に示すように、振動板5上に、スパッタ法によりTi・Pt膜を室温で成膜した。ここで、Ti膜は密着層であり約20nmの厚さに成膜した。また、Pt膜は圧電素子の下部電極11として、約100〜300nmの厚さに成膜した。ここで、電極材料はPtに限らずAu、Al、Ni、Pt等の金属材料、またはSrRuO3 、LaNiO3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 3C, a Ti / Pt film was formed on the
次に、図3の(d)に示すように、アモルファスの圧電体であるPZTの圧電体膜12aをスパッタ法により室温で約1〜10μm成膜した。PZTの成膜法はスパッタ法に限らず、MOCVD法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。また、膜厚は振動板5の厚さとの関係で最も変位量が大きい膜厚を選択する必要がある。
Next, as shown in FIG. 3D, a PZT
さらに、この上に図3の(e)に示すように、上部電極23としてレーザー光Pを透過する電極膜を約100〜300nmの厚さに成膜した。この場合も、スパッタ法を用いて室温で成膜したが、MOCVD法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。ここで、電極膜の材料はレーザー光を透過し、かつ導電性を有するものであればよい。本実施例ではITOを用いた。
Further, as shown in FIG. 3E, an electrode film that transmits the laser beam P was formed as an
次に、図3の(f)に示すように、レーザー光Pを用いて圧力室2上のPZTを選択的に結晶化させた。ここで、アモルファス状のPZTの透過率は図4に示すように変化するため、実施例1と同様に、波長が360nm以下のレーザーを選択する必要がある。また、ITOは300nm付近で透過率が低下する。これらの理由から300nmから360nmの間に波長を有するレーザーを用いる必要があり、XeFレーザー(λ=351nm)が適当である。
Next, as shown in FIG. 3F, PZT on the
また、上部電極23がレーザーを吸収する場合でも、電極膜の厚さが圧電体よりも非常に薄い場合は、電極で発生した熱を伝導するので、例えばArFレーザー(λ=193nm)、KrFレーザー(λ=248nm)を用いることもできる。
Even when the
レーザーアニール工程では、生産性を向上させるために、レーザー光Pは耐熱ガラスの振動板5が変形しない程度に、照射面積を広くするとよい。もしくは同時に複数のレーザーを用いることもできる。また、アモルファスと結晶の境界部分は、圧電素子の駆動に起因する応力の集中を避けるために、レーザー強度を徐々に変化させるか、またはレーザーの照射時間を変化させて、図1に示すようにアモルファスおよび結晶からなる中間層12cを形成する。中間層12cは、圧力室2側では結晶化したPZTの割合が多く、液供給口3側ではアモルファス状のPZTの割合が多い構成とする。
In the laser annealing process, in order to improve the productivity, it is preferable that the irradiation area of the laser beam P is increased so that the
圧力室2上のPZTを結晶化させた後、図3の(g)に示すように、液流路に対応する部分以外の部分の電極、PZTをエッチングして除去するパターニングを行う。最後に、非可動領域にワイヤーボンディングによる配線をする。
After the PZT on the
1 Si基板
2 圧力室
3 液供給口
4 ノズル
5 振動板
11 下部電極
12 圧電膜
12a アモルファスの圧電体膜
12b アモルファス部分
12c 中間層
13、23 上部電極
14 パッド
15 配線
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記圧電素子の材料としてアモルファスの圧電体膜を形成する工程と、
該アモルファスの圧電体膜にレーザー光を照射して結晶化させることで前記圧電素子を形成する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 In a method of manufacturing a liquid ejection head that pressurizes a pressure chamber with a piezoelectric element and ejects liquid from an ejection port,
Forming an amorphous piezoelectric film as a material of the piezoelectric element;
Forming the piezoelectric element by crystallizing the amorphous piezoelectric film by irradiating a laser beam;
A method of manufacturing a liquid discharge head, comprising:
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