JP2009054657A - Method of manufacturing dielectric film, method of manufacturing piezoelectric element, and method of manufacturing liquid jet head - Google Patents

Method of manufacturing dielectric film, method of manufacturing piezoelectric element, and method of manufacturing liquid jet head Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a dielectric film, by which the dielectric film having superior crystallinity can be formed, and to provide a method of manufacturing a piezoelectric element and a method of manufacturing a liquid jet head. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the dielectric film is characterized by including a step of forming a dielectric precursor film 71 being a PZT precursor film on one surface side of a substrate 110 made of a silicon single-crystal substrate. A dielectric film 72 is formed by irradiating the substrate 110 with light having a wavelength spectrum peak in a 8 to 12 μm band and by heating and firing the dielectric precursor film 71 for crystallization, using: a chamber 201 in which a wafer 110 for flow passage forming substrate is mounted; and an irradiation means 202 provided outside the chamber 201 in an area opposed to a surface of the wafer 110 for flow passage forming substrate on the opposite side from a surface where the dielectric precursor film 71 is provided to irradiate the substrate with infrared rays. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコン単結晶基板からなる基板上に誘電体膜を製造する誘電体膜の製造方法及び圧電素子の製造方法並びにノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法に関する。   The present invention relates to a dielectric film manufacturing method for manufacturing a dielectric film on a substrate made of a silicon single crystal substrate, a piezoelectric element manufacturing method, and a liquid ejecting head manufacturing method for ejecting liquid from nozzle openings.

液体噴射ヘッド等に圧力発生手段として用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる誘電体膜を2つの電極で挟んだ素子であり、誘電体膜は、例えば、結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。   A piezoelectric element used as a pressure generating unit in a liquid ejecting head or the like is an element in which a dielectric film made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function is sandwiched between two electrodes. The dielectric film is, for example, a crystallized piezoelectric element. It is made of a functional ceramic.

このような圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子を撓み変形させる撓み振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが挙げられる。撓み振動モードを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な誘電体膜からなる圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けることによって圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。   As a liquid ejecting head using such a piezoelectric element, for example, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by the piezoelectric element and pressure is applied. There is an ink jet recording head that pressurizes ink in a generation chamber and ejects ink droplets from nozzle openings. Examples of the ink jet recording head include those using a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode that flexes and deforms a piezoelectric element. As the one using the flexural vibration mode, for example, a piezoelectric layer made of a uniform dielectric film is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and this piezoelectric layer is formed into a pressure generating chamber by a lithography method. A device in which a piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber by cutting into corresponding shapes is known.

圧電素子を構成する圧電体層(誘電体膜)の製造方法としては、いわゆるゾル−ゲル法が知られている。すなわち、下電極を形成した基板上に有機金属化合物のゾルを塗布して乾燥及びゲル化(脱脂)させて圧電体層の前駆体膜を形成する工程を少なくとも一回以上実施し、その後、高温で熱処理して結晶化させる(焼成)。そして、これらの工程を複数回繰り返し実施することで所定厚さの圧電体層(誘電体膜)を製造している。   A so-called sol-gel method is known as a method for producing a piezoelectric layer (dielectric film) constituting a piezoelectric element. That is, a step of forming a precursor film of a piezoelectric layer by applying an organic metal compound sol on a substrate on which a lower electrode is formed and drying and gelling (degreasing) is performed at least once. And crystallize by heat treatment (firing). A piezoelectric layer (dielectric film) having a predetermined thickness is manufactured by repeating these steps a plurality of times.

また、圧電素子を構成する圧電体層(誘電体膜)の製造方法としては、いわゆるMOD(Metal-Organic Decomposition)法が知られている。すなわち、一般的に、金属アルコキシド等の有機金属化合物をアルコールに溶解し、これに加水分解抑制剤等を加えて得たコロイド溶液を被対象物上に塗布した後、これを乾燥して焼成することで圧電体層(誘電体膜)を製造することができる。   A so-called MOD (Metal-Organic Decomposition) method is known as a method for manufacturing a piezoelectric layer (dielectric film) constituting a piezoelectric element. That is, generally, a colloidal solution obtained by dissolving an organometallic compound such as a metal alkoxide in alcohol and adding a hydrolysis inhibitor or the like to this is applied onto the object, and then dried and fired. Thus, a piezoelectric layer (dielectric film) can be manufactured.

また、ゾル−ゲル法やMOD法等を用いた誘電体膜の製造方法では、誘電体前駆体膜を加熱焼成して結晶化させる際に、赤外線を照射することで誘電体前駆体膜を加熱する赤外線加熱装置が用いられてきた。   In the dielectric film manufacturing method using the sol-gel method, the MOD method, or the like, the dielectric precursor film is heated by irradiating infrared rays when the dielectric precursor film is heated and fired for crystallization. Infrared heating devices have been used.

特開2003−115619号公報(特許請求の範囲、第5頁、第6図)JP 2003-115619 A (Claims, page 5, FIG. 6)

しかしながら、赤外線加熱装置を用いて誘電体膜の加熱焼成を行った場合、赤外線の多くが誘電体前駆体膜に吸収されてしまい、誘電体前駆体膜を直接加熱してしまう。このため、誘電体前駆体膜の結晶化が始まる起点が、誘電体前駆体膜の表面側(下地となる基板側とは反対側)や誘電体前駆体膜の膜中となってしまい、結晶は下地側の配向、結晶粒のサイズ等の結晶性を引き継がずに独立して成長し、柱状の結晶が立っている中に、それとは独立した結晶粒の大きな結晶が形成され、圧電体層の変位特性等の圧電特性などに影響する結晶性の悪い誘電体膜が形成されてしまうという問題がある。   However, when the dielectric film is heated and baked using an infrared heating device, most of the infrared light is absorbed by the dielectric precursor film and directly heats the dielectric precursor film. For this reason, the starting point of the crystallization of the dielectric precursor film is in the surface of the dielectric precursor film (on the side opposite to the base substrate side) or in the film of the dielectric precursor film. Grows independently without inheriting crystallinity such as orientation on the substrate side, crystal grain size, etc., while a columnar crystal is standing, large crystals with independent crystal grains are formed, and the piezoelectric layer There is a problem in that a dielectric film having poor crystallinity that affects the piezoelectric characteristics such as the displacement characteristics is formed.

なお、ゾルを加熱して脱脂する際に、基板側から3〜5μmの波長を含む赤外線を照射する圧電体素子の製造方法が提案されているが(例えば、特許文献1参照)、特許文献1では、ゾルに吸収され易い波長の赤外線を用いただけであり、ゾルの脱脂工程で用いる赤外線の波長を規定しているだけである。したがって、特許文献1の製造方法では、誘電体膜を加熱焼成して結晶化させる焼成工程の波長について何ら言及されておらず、上記のような理由により結晶性の悪い誘電体膜が形成されてしまうという問題がある。   In addition, when a sol is heated and degreased, a method of manufacturing a piezoelectric element that irradiates infrared rays including a wavelength of 3 to 5 μm from the substrate side has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Then, only infrared light having a wavelength that is easily absorbed by the sol is used, and only the infrared wavelength used in the degreasing process of the sol is defined. Therefore, in the manufacturing method of Patent Document 1, nothing is mentioned about the wavelength of the baking step of crystallizing the dielectric film by heating and baking, and the dielectric film having poor crystallinity is formed for the reasons described above. There is a problem of end.

なお、結晶性の悪い誘電体膜が形成されると、この誘電体膜を用いたインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドの液体噴射特性が劣化し、優れた液体噴射特性を得ることができないという問題がある。   If a dielectric film having poor crystallinity is formed, the liquid ejecting characteristics of a liquid ejecting head represented by an ink jet recording head using the dielectric film are deteriorated, and excellent liquid ejecting characteristics can be obtained. There is a problem that you can not.

本発明はこのような事情に鑑み、結晶性に優れた誘電体膜を形成することができる誘電体膜の製造方法及び圧電素子の製造方法並びに液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a dielectric film manufacturing method, a piezoelectric element manufacturing method, and a liquid jet head manufacturing method capable of forming a dielectric film having excellent crystallinity. To do.

上記課題を解決する本発明の態様は、シリコン単結晶基板からなる基板の一方面側に誘電体前駆体膜を形成する工程と、前記基板に8〜12μm帯の波長スペクトルピークを有する光を照射して、前記誘電体前駆体膜を加熱焼成して結晶化することを特徴とする誘電体膜の製造方法にある。
かかる態様では、シリコン単結晶基板からなる基板の吸収率の高い波長領域であると共に、誘電体前駆体膜の吸収率の低い波長領域の光を照射することで、誘電体前駆体膜自体を直接加熱することなく、誘電体前駆体膜の下地となる基板を加熱することができる。これにより、誘電体前駆体膜の膜中を起点として結晶成長させることなく、誘電体前駆体膜を下地側を起点として結晶成長させることができ、下地側から配向及び結晶粒のサイズ等の結晶性を引き継いで、誘電体膜を良好な結晶性で形成することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a step of forming a dielectric precursor film on one side of a substrate made of a silicon single crystal substrate, and irradiating the substrate with light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band. The dielectric precursor film may be crystallized by heating and baking the dielectric precursor film.
In such an aspect, the dielectric precursor film itself is directly irradiated by irradiating light in a wavelength region with a high absorption rate of the substrate made of a silicon single crystal substrate and with a low absorption rate of the dielectric precursor film. Without heating, the substrate serving as the base of the dielectric precursor film can be heated. This allows the dielectric precursor film to grow from the base side without crystal growth starting from the inside of the dielectric precursor film, and crystals such as orientation and crystal grain size from the base side. Therefore, the dielectric film can be formed with good crystallinity.

ここで、前記基板への光の照射を、少なくとも前記基板の前記誘電体前駆体膜が設けられた一方面側とは反対側の他方面側から行うことが好ましい。これによれば、誘電体前駆体膜自体を直接加熱することなく、基板を効率よく加熱することができる。   Here, it is preferable to irradiate the substrate with light from at least the other side of the substrate opposite to the one side where the dielectric precursor film is provided. According to this, the substrate can be efficiently heated without directly heating the dielectric precursor film itself.

また、前記基板への光の照射を、前記基板の前記誘電体前駆体膜が設けられた一方面側からと、前記一方面側とは反対側の他方面側とから行うことが好ましい。これによれば、誘電体前駆体膜を高い昇温レートで加熱することができ、優れた結晶性の誘電体膜を形成することができる。   Moreover, it is preferable to irradiate the said board | substrate with light from the one surface side in which the said dielectric precursor film | membrane of the said board | substrate was provided, and the other surface side on the opposite side to the said one surface side. According to this, the dielectric precursor film can be heated at a high temperature rising rate, and an excellent crystalline dielectric film can be formed.

また、前記基板に光を照射する際に、所定の波長領域を除外した光を前記基板に照射することが好ましい。これによれば、所定の波長領域、例えば、誘電体前駆体膜が吸収し易い波長領域の光を除外してシリコン単結晶基板に光を照射しているので、誘電体前駆体膜の膜中や表面を起点として結晶成長させることなく、誘電体膜の下地となる基板を確実に加熱することができる。   In addition, when irradiating the substrate with light, it is preferable to irradiate the substrate with light excluding a predetermined wavelength region. According to this, since light in a predetermined wavelength region, for example, a wavelength region that is easily absorbed by the dielectric precursor film is excluded and the silicon single crystal substrate is irradiated with light, In addition, the substrate serving as the base of the dielectric film can be reliably heated without crystal growth starting from the surface.

さらに、本発明の他の態様は、前記基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、前記圧電体層を形成する工程が、上記態様の誘電体膜を製造する方法であることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、圧電特性に優れた圧電素子を製造できる。
Furthermore, another aspect of the present invention includes a step of forming a lower electrode on the substrate, a step of forming a piezoelectric layer on the lower electrode, and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric layer. And the step of forming the piezoelectric layer is a method of manufacturing the dielectric film of the above aspect.
In this aspect, a piezoelectric element having excellent piezoelectric characteristics can be manufactured.

また、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子の製造方法によって、前記基板に前記圧電素子を形成した後、当該基板を異方性エッチングすることにより液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、液体噴射特性に優れた液体噴射ヘッドを製造できる。
According to another aspect of the present invention, after the piezoelectric element is formed on the substrate by the method for manufacturing a piezoelectric element according to the above aspect, the substrate is anisotropically etched to communicate with a nozzle opening that ejects liquid. In the method of manufacturing a liquid jet head, the pressure generating chamber is formed.
In this aspect, a liquid ejecting head having excellent liquid ejecting characteristics can be manufactured.

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. FIG.

図示するように、流路形成基板10は、結晶面方位が(110)面に優先配向したシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。   As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate whose crystal plane orientation is preferentially oriented to the (110) plane, and one surface thereof is previously formed of silicon dioxide with a thickness of 0.5 by thermal oxidation. An elastic film 50 of ˜2 μm is formed.

流路形成基板10には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12がその幅方向(短手方向)に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向一端部側には、インク供給路14と連通路15とが隔壁11によって区画されている。また、連通路15の一端には、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるリザーバ100の一部を構成する連通部13が形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられている。   In the flow path forming substrate 10, pressure generating chambers 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 are arranged in parallel in the width direction (short direction) by anisotropic etching from the other surface side. In addition, an ink supply path 14 and a communication path 15 are partitioned by a partition wall 11 on one end side in the longitudinal direction of the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 constituting a part of the reservoir 100 serving as an ink chamber (liquid chamber) common to the pressure generation chambers 12 is formed at one end of the communication passage 15. That is, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including a pressure generation chamber 12, a communication portion 13, an ink supply path 14, and a communication path 15.

インク供給路14は、圧力発生室12の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室12より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路14は、リザーバ100と各圧力発生室12との間の圧力発生室12側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室12の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路15は、インク供給路14の圧力発生室12とは反対側に連通し、インク供給路14の幅方向(短手方向)より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路15を圧力発生室12と同じ断面積で形成した。   The ink supply path 14 communicates with one end side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 and has a smaller cross-sectional area than the pressure generation chamber 12. For example, in the present embodiment, the ink supply path 14 has a width smaller than the width of the pressure generation chamber 12 by narrowing the flow path on the pressure generation chamber 12 side between the reservoir 100 and each pressure generation chamber 12 in the width direction. It is formed with. As described above, in this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. Further, each communication path 15 communicates with the side of the ink supply path 14 opposite to the pressure generation chamber 12 and has a larger cross-sectional area than the width direction (short direction) of the ink supply path 14. In the present embodiment, the communication passage 15 is formed with the same cross-sectional area as the pressure generation chamber 12.

すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12と、圧力発生室12の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路14と、このインク供給路14に連通すると共にインク供給路14の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路15とが複数の隔壁11により区画されて設けられている。   In other words, the flow path forming substrate 10 is connected to the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14 having a smaller cross-sectional area in the short direction of the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14, and the ink supply. A communication passage 15 having a cross-sectional area larger than the cross-sectional area in the short direction of the path 14 is provided by being partitioned by a plurality of partition walls 11.

また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。   Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.

一方、流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム(ZrO2)等からなり厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が積層形成されている。また、この絶縁体膜55上には、厚さが約0.1〜0.5μmの下電極膜60と、誘電体膜の一例であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなり厚さが例えば、約1.1μmの圧電体層70と、金、白金又はイリジウム等からなり厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部320という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部320が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50及び絶縁体膜55を設けずに、下電極膜60のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。 On the other hand, an elastic film 50 made of silicon dioxide and having a thickness of, for example, about 1.0 μm is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. An insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) or the like and having a thickness of, for example, about 0.4 μm is laminated. On the insulator film 55, the lower electrode film 60 having a thickness of about 0.1 to 0.5 μm and lead zirconate titanate (PZT) which is an example of a dielectric film are formed. For example, a piezoelectric layer 70 having a thickness of about 1.1 μm and an upper electrode film 80 made of gold, platinum, iridium, or the like and having a thickness of, for example, about 0.05 μm are laminated and formed by a process described later, so that the piezoelectric element 300 is formed. Is configured. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In addition, here, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In any case, the piezoelectric active part 320 is formed for each pressure generating chamber 12. In addition, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, and the lower electrode film 60 function as a diaphragm. However, the present invention is not limited to this, and for example, the elastic film 50 and the insulator film 55 are provided. Instead, only the lower electrode film 60 may act as a diaphragm. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

また、本実施形態の圧電体層70としては、下電極膜60上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜が挙げられる。圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層70として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。 In addition, as the piezoelectric layer 70 of the present embodiment, a perovskite structure crystal film made of a ferroelectric ceramic material having an electromechanical conversion effect and formed on the lower electrode film 60 can be cited. As a material of the piezoelectric layer 70, for example, a ferroelectric piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), or a material obtained by adding a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide, or magnesium oxide to the piezoelectric material is suitable. It is. Specifically, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La), TiO 3 ) ), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) or lead magnesium titanate zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ), etc. Can do. In the present embodiment, lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric layer 70.

また、圧電素子300の個別電極である各上電極膜80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上まで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。   Further, each upper electrode film 80 that is an individual electrode of the piezoelectric element 300 is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended to the insulator film 55, for example, from gold (Au) or the like. Lead electrode 90 is connected.

このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、リザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。リザーバ部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通の液体室となるリザーバ100を構成している。   On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, a protective substrate 30 having a reservoir portion 31 constituting at least a part of the reservoir 100 is bonded via an adhesive 35. In this embodiment, the reservoir portion 31 is formed across the protective substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generating chamber 12, and as described above, the reservoir portion 31 is connected to the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. A reservoir 100 is formed which communicates with each other and serves as a common liquid chamber for the pressure generating chambers 12.

また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。保護基板30は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。   A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The protective substrate 30 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.

このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。   As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.

また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。   The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.

さらに、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。   Further, a drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the reservoir portion 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド1では、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   In such an ink jet recording head 1 of the present embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then in accordance with a recording signal from the drive circuit 120. Then, a voltage is applied between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 to bend and deform the elastic film 50, the insulator film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70. As a result, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

以下、このようなインクジェット式記録ヘッド1の製造方法について、図3〜図9を参照して説明する。なお、図3〜図4及び図6〜図9は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図であり、図5は、波長と放射率(吸収率)との関係を示すグラフである。   Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head 1 will be described with reference to FIGS. 3 to 4 and FIGS. 6 to 9 are cross-sectional views showing a method for manufacturing an ink jet recording head, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between wavelength and emissivity (absorption rate).

まず、図3(a)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の表面に弾性膜50となる二酸化シリコン膜51を熱酸化にて形成する。次いで、図3(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、ジルコニウム(Zr)層を形成後、熱酸化して酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁体膜55を形成する。 First, as shown in FIG. 3A, a silicon dioxide film 51 to be the elastic film 50 is formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 by thermal oxidation. Next, as shown in FIG. 3B, a zirconium (Zr) layer is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51), and then thermally oxidized to form an insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ). Form.

次いで、図3(c)に示すように、例えば、白金又はイリジウムとからなる下電極膜60を絶縁体膜55の全面に亘って形成する。下電極膜60は、例えば、スパッタリング法により形成することができる。   Next, as shown in FIG. 3C, a lower electrode film 60 made of, for example, platinum or iridium is formed over the entire surface of the insulator film 55. The lower electrode film 60 can be formed by, for example, a sputtering method.

次に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。なお、圧電体層70の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、上述した他の圧電材料を用いてもよい。   Next, a piezoelectric layer 70 made of lead zirconate titanate (PZT) is formed. Here, in the present embodiment, a so-called sol-gel in which a so-called sol obtained by dissolving and dispersing a metal organic substance in a solvent is applied, dried, gelled, and further fired at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. The piezoelectric layer 70 is formed using the method. The material of the piezoelectric layer 70 is not limited to lead zirconate titanate, and other piezoelectric materials described above may be used.

圧電体層70の具体的な形成手順としては、まず、図4(a)に示すように、下電極膜60上にPZT前駆体膜である誘電体前駆体膜71を成膜する。すなわち、下電極膜60が形成された流路形成基板10上に金属有機化合物を含むゾル(溶液)を塗布する(塗布工程)。次いで、この誘電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。例えば、本実施形態では、誘電体前駆体膜71を150〜200℃で5〜15分間保持することで乾燥させることができる。   As a specific forming procedure of the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 4A, a dielectric precursor film 71 which is a PZT precursor film is formed on the lower electrode film 60. That is, a sol (solution) containing a metal organic compound is applied onto the flow path forming substrate 10 on which the lower electrode film 60 is formed (application process). Next, the dielectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature and dried for a predetermined time (drying step). For example, in the present embodiment, the dielectric precursor film 71 can be dried by holding at 150 to 200 ° C. for 5 to 15 minutes.

次に、乾燥した誘電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。例えば、本実施形態では、誘電体前駆体膜71を300〜400℃程度の温度に加熱して約5〜10分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、誘電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。 Next, the dried dielectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature and holding it for a certain time (degreasing step). For example, in this embodiment, the dielectric precursor film 71 is degreased by heating to a temperature of about 300 to 400 ° C. and holding it for about 5 to 10 minutes. The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the dielectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O or the like.

次に、図4(b)に示すように、誘電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、誘電体膜72を形成する(焼成工程)。   Next, as shown in FIG. 4B, the dielectric precursor film 71 is crystallized by being heated to a predetermined temperature and held for a predetermined time to form a dielectric film 72 (firing process).

具体的には、流路形成基板用ウェハ110に8〜12μm帯の波長スペクトルピークの光を照射して、誘電体前駆体膜71の下地となる流路形成基板用ウェハ110を加熱することで、誘電体前駆体膜71を下地側から加熱して焼成して誘電体膜72を形成する。   Specifically, the flow path forming substrate wafer 110 is irradiated with light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band, and the flow path forming substrate wafer 110 that is the base of the dielectric precursor film 71 is heated. The dielectric precursor film 71 is heated from the base side and baked to form the dielectric film 72.

ここで、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板用ウェハ110及び誘電体前駆体膜71の波長と吸収率(放射率)との関係について説明する。なお、図5(a)は、シリコンの波長と放射率(吸収率)との関係を示すグラフであり、図5(b)は、PZTからなる誘電体前駆体膜の波長と放射率との関係を示すグラフである。   Here, the relationship between the wavelength and the absorptance (emissivity) of the flow path forming substrate wafer 110 made of a silicon single crystal substrate and the dielectric precursor film 71 will be described. 5A is a graph showing the relationship between the wavelength of silicon and the emissivity (absorption rate), and FIG. 5B shows the relationship between the wavelength and emissivity of the dielectric precursor film made of PZT. It is a graph which shows a relationship.

図5(a)に示すように、シリコンは、8〜12μm帯の波長スペクトルピークとなる光では、光の吸収率(放射率)が0.2以上となっている。したがって、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板用ウェハ110は、8〜12μm帯の波長スペクトルピークとなる光によって、短時間で効率よく加熱することができる。   As shown in FIG. 5 (a), silicon has a light absorption rate (emissivity) of 0.2 or more for light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band. Therefore, the flow path forming substrate wafer 110 made of a silicon single crystal substrate can be efficiently heated in a short time by light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band.

一方、図5(b)に示すように、上述した材料の誘電体前駆体膜は、材料ごとで僅少な差異はあるが、13〜15μm帯、特に14μm帯の波長スペクトルピークで最も光の吸収率がよく、その他の領域、すなわち、図5(a)に示すシリコンの吸収率のよい8〜12μm帯の波長スペクトルピークの光では、光の吸収率が低くなっている。   On the other hand, as shown in FIG. 5B, the dielectric precursor film of the above-described material has the slightest difference between materials, but it absorbs light most at the wavelength spectrum peak in the 13 to 15 μm band, particularly the 14 μm band. In other regions, that is, light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band with good silicon absorption shown in FIG. 5A, the light absorption is low.

したがって、8〜12μm帯の波長スペクトルピークの光を流路形成基板用ウェハ110に照射することによって誘電体前駆体膜71を加熱すると、誘電体前駆体膜71の吸収率の高い波長領域以外の波長領域の光によって、誘電体前駆体膜71を直接加熱することなく、誘電体前駆体膜71の下地、すなわち、流路形成基板用ウェハ110を加熱することができ、誘電体前駆体膜71の膜中を起点として結晶成長させることなく、誘電体前駆体膜71を下地側を起点として結晶成長させることができる。これにより、下地側から配向及び結晶粒のサイズ等の結晶性を引き継いで、誘電体膜72を良好な結晶性で形成することができる。すなわち、誘電体膜72の膜厚を規定することなく、所望の膜厚の誘電体膜72を比較的粒径が小さく且つ均一な結晶で形成することができ、大粒結晶の形成を実質的に防止することができる。これにより、結晶性に優れた誘電体膜72を有する圧電素子300を形成することができ、圧電素子300の変位特性を向上することができる。   Therefore, when the dielectric precursor film 71 is heated by irradiating the light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band to the flow path forming substrate wafer 110, the dielectric precursor film 71 has a wavelength region other than the wavelength region having a high absorption rate. The substrate of the dielectric precursor film 71, that is, the flow path forming substrate wafer 110 can be heated without directly heating the dielectric precursor film 71 with light in the wavelength region, and the dielectric precursor film 71 can be heated. The crystal growth of the dielectric precursor film 71 can be started from the base side without crystal growth starting from the film. As a result, the dielectric film 72 can be formed with good crystallinity by taking over crystallinity such as orientation and crystal grain size from the base side. That is, the dielectric film 72 having a desired film thickness can be formed with a relatively small grain size and a uniform crystal without prescribing the film thickness of the dielectric film 72, thereby substantially forming a large crystal. Can be prevented. Thereby, the piezoelectric element 300 having the dielectric film 72 having excellent crystallinity can be formed, and the displacement characteristics of the piezoelectric element 300 can be improved.

なお、図5(a)に示すグラフは、工藤恵栄著「分光の基礎と方法」(オーム社)に記載されたものであり、また、図5(b)に示すグラフは、実験によって測定した結果である。また、上述した波長帯のスペクトルピークの光により加熱する誘電体前駆体膜71は、結晶化して誘電体膜72を形成する前もの、すなわち、脱脂工程を行った後の誘電体前駆体膜71のことである。   The graph shown in FIG. 5A is described in “Establishment of Spectroscopy” (Ohm) by Keiei Kudo, and the graph shown in FIG. 5B is measured by experiment. It is the result. Further, the dielectric precursor film 71 heated by the light having the spectral peak in the above-described wavelength band is the one before crystallization to form the dielectric film 72, that is, the dielectric precursor film 71 after the degreasing step. That's it.

また、このような所定の波長スペクトルピークとする光の照射は、図4(b)に示す加熱手段200によって行うことができる。具体的には、加熱手段200は、流路形成基板用ウェハ110が内部に載置されるチャンバ201と、チャンバ201の外側で、流路形成基板用ウェハ110の誘電体前駆体膜71が設けられた面とは反対側の面に相対向する領域に設けられて赤外線を照射する照射手段202とを具備する。   Moreover, the irradiation of light having such a predetermined wavelength spectrum peak can be performed by the heating means 200 shown in FIG. Specifically, the heating unit 200 includes a chamber 201 in which the flow path forming substrate wafer 110 is placed inside, and a dielectric precursor film 71 of the flow path forming substrate wafer 110 provided outside the chamber 201. And an irradiating means 202 for irradiating infrared rays, provided in a region opposite to the surface opposite to the provided surface.

チャンバ201は、内部に流路形成基板用ウェハ110が載置されて、誘電体前駆体膜71を酸素雰囲気下で加熱するためのものである。   The chamber 201 is used for heating the dielectric precursor film 71 in an oxygen atmosphere, with the flow path forming substrate wafer 110 placed therein.

照射手段202は、チャンバ201内に載置された流路形成基板用ウェハ110の誘電体前駆体膜71が設けられた面とは反対側の面に光を照射するように設けられている。   The irradiating means 202 is provided so as to irradiate the surface opposite to the surface on which the dielectric precursor film 71 of the flow path forming substrate wafer 110 placed in the chamber 201 is provided.

このような照射手段202としては、例えば、炭化珪素(SiC)を棒状に焼結したグローバ灯、カーボンCを放射原料とするアーク灯、ステンレスを放射原料とするランプ、セラミックスを放射原料とするランプ等を用いることができる。なお、グローバ灯から照射される放射線波長は1〜50μmであり、アーク灯から照射される放射線波長は2〜25μmである。また、ステンレスを放射原料とするランプから照射される放射線波長は4〜10μmである。   Examples of such irradiation means 202 include a glow lamp obtained by sintering silicon carbide (SiC) into a rod shape, an arc lamp using carbon C as a radiation material, a lamp using stainless steel as a radiation material, and a lamp using ceramics as a radiation material. Etc. can be used. In addition, the radiation wavelength irradiated from a global lamp is 1-50 micrometers, and the radiation wavelength irradiated from an arc lamp is 2-25 micrometers. Moreover, the radiation wavelength irradiated from the lamp | ramp which uses stainless steel as a radiation raw material is 4-10 micrometers.

そして、照射手段202から照射される光は、例えば、所定波長を遮断するフィルタなどを用いて、上述した8〜12μm帯の波長スペクトルピークとする光として流路形成基板用ウェハ110に照射するようにすればよい。   Then, the light irradiated from the irradiation unit 202 is irradiated to the flow path forming substrate wafer 110 as light having a wavelength spectrum peak in the 8 to 12 μm band described above using, for example, a filter that cuts off a predetermined wavelength. You can do it.

本実施形態では、チャンバ201をフッ化カルシウムで形成することで、チャンバ201を9μm以上の波長が透過しないようにしている。ちなみに、チャンバを一般的に用いられる石英で形成すると、石英からなるチャンバは、5μm以上の波長の光を透過させることができない。本実施形態では、フッ化カルシウムからなるチャンバ201を用いることで、チャンバ201によって照射手段202から照射された光の9μm以上の波長を遮断して、チャンバ201内に9μmより小さな波長のみを透過させている。もちろん、チャンバ201の材料を適宜選択することで、12μm以上の波長の光が透過しないようにすることができる。このため、チャンバ201によって、誘電体前駆体膜71の吸収率のよい13〜15μm帯の波長スペクトルピークの光を遮断することができ、誘電体前駆体膜71が直接加熱されるのを防止することができる。ちなみに、8μmより小さな波長を遮断するには、上述のようにチャンバ201と照射手段202との間に、所定の波長領域を吸収するフィルタを設けるよういしてもよく、また、チャンバ201の表面に8μmより小さな波長領域を吸収する吸収膜を形成し、チャンバ201自体がフィルタとして機能するようにしてもよい。   In this embodiment, the chamber 201 is formed of calcium fluoride so that a wavelength of 9 μm or more is not transmitted through the chamber 201. Incidentally, if the chamber is formed of quartz that is generally used, the chamber made of quartz cannot transmit light having a wavelength of 5 μm or more. In this embodiment, by using the chamber 201 made of calcium fluoride, the wavelength of 9 μm or more of the light irradiated from the irradiation means 202 by the chamber 201 is blocked, and only the wavelength smaller than 9 μm is transmitted into the chamber 201. ing. Of course, by appropriately selecting the material of the chamber 201, it is possible to prevent light having a wavelength of 12 μm or more from being transmitted. For this reason, the chamber 201 can block light having a wavelength spectrum peak in the 13 to 15 μm band, which has a high absorption rate of the dielectric precursor film 71, and prevents the dielectric precursor film 71 from being directly heated. be able to. Incidentally, in order to cut off a wavelength smaller than 8 μm, a filter that absorbs a predetermined wavelength region may be provided between the chamber 201 and the irradiation means 202 as described above. An absorption film that absorbs a wavelength region smaller than 8 μm may be formed so that the chamber 201 itself functions as a filter.

このような加熱手段200を用いて誘電体前駆体膜71(流路形成基板用ウェハ110)を加熱することにより、誘電体前駆体膜71に吸収され易い波長領域の光を遮断することができるため、たとえ照射手段202から照射される光に誘電体前駆体膜71に吸収され易い波長が多く含まれていたとしても、実質的に誘電体前駆体膜71を直接加熱することがない。   By heating the dielectric precursor film 71 (channel-forming substrate wafer 110) using such a heating means 200, light in a wavelength region that is easily absorbed by the dielectric precursor film 71 can be blocked. Therefore, even if the light irradiated from the irradiation unit 202 includes many wavelengths that are easily absorbed by the dielectric precursor film 71, the dielectric precursor film 71 is not substantially heated directly.

なお、このような誘電体膜72の焼成工程では、誘電体前駆体膜71を600〜750℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、上述した加熱手段200によって、700℃で5分間加熱を行って誘電体前駆体膜71を焼成して誘電体膜72を形成した。また、焼成工程では、昇温レートを50℃/sec以上とするのが好ましく、100℃/sec以上が好適である。このように誘電体膜72の焼成時の昇温レートを50℃/sec以上とすることで、低温の昇温レートで長時間行うのに比べて短時間で行うことができると共に、誘電体膜72を比較的粒径が小さく且つ均一な結晶で形成することができ、大粒結晶の形成を実質的に防止することができる。   In such a firing step of the dielectric film 72, it is preferable to heat the dielectric precursor film 71 to 600 to 750 ° C. In this embodiment, the heating means 200 described above heats at 700 ° C. for 5 minutes. The dielectric precursor film 71 was baked to form a dielectric film 72. In the firing step, the rate of temperature rise is preferably 50 ° C./sec or more, and preferably 100 ° C./sec or more. In this way, by setting the temperature rising rate during firing of the dielectric film 72 to 50 ° C./sec or more, the dielectric film 72 can be performed in a shorter time as compared with the case where the temperature rising rate is low for a long time, and the dielectric film. 72 can be formed of uniform crystals having a relatively small grain size, and the formation of large crystals can be substantially prevented.

なお、上述した乾燥工程及び脱脂工程においても、焼成工程で用いる加熱手段200を用いることで、使用する装置の種類を減少させて製造コストを低減することができるが、乾燥工程及び脱脂工程では、加熱手段200とは別の装置、例えば、ホットプレート等を用いるようにしてもよい。   In addition, also in the drying process and the degreasing process described above, by using the heating means 200 used in the firing process, it is possible to reduce the manufacturing cost by reducing the type of apparatus to be used. An apparatus different from the heating means 200, for example, a hot plate may be used.

そして、図6(a)に示すように、下電極膜60上に誘電体膜72の1層目を形成した段階で、下電極膜60及び1層目の誘電体膜72を同時にパターニングする。なお、下電極膜60及び誘電体膜72のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。   Then, as shown in FIG. 6A, when the first layer of the dielectric film 72 is formed on the lower electrode film 60, the lower electrode film 60 and the first dielectric film 72 are patterned simultaneously. The patterning of the lower electrode film 60 and the dielectric film 72 can be performed by dry etching such as ion milling, for example.

そして、パターニング後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる誘電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図6(b)に示すように複数層の誘電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、ゾルの1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の誘電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。   After the patterning, the dielectric film forming process including the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process described above is repeated a plurality of times, thereby forming a plurality of dielectric films 72 as shown in FIG. 6B. A piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness is formed. For example, when the film thickness per sol is about 0.1 μm, for example, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the ten dielectric films 72 is about 1.1 μm.

そして、圧電体層70を形成した後は、図7(a)に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜80を流路形成基板用ウェハ110の全面に形成した後、図7(b)に示すように、圧電体層70及び上電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子300を形成する。   After the piezoelectric layer 70 is formed, as shown in FIG. 7A, for example, an upper electrode film 80 made of iridium is formed on the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, and then, FIG. ), The piezoelectric layer 300 and the upper electrode film 80 are patterned in a region facing each pressure generating chamber 12 to form the piezoelectric element 300.

次に、リード電極90を形成する。具体的には、図7(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の全面に亘ってリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングすることで形成される。   Next, the lead electrode 90 is formed. Specifically, as shown in FIG. 7C, after the lead electrode 90 is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, for example, each through a mask pattern (not shown) made of a resist or the like. Each piezoelectric element 300 is formed by patterning.

次に、図8(a)に示すように、パターニングされた複数の圧電素子300を保持する保護基板用ウェハ130を、流路形成基板用ウェハ110上に例えば接着剤35によって接合する。なお、保護基板用ウェハ130には、リザーバ部31、圧電素子保持部32等が予め形成されている。また、保護基板用ウェハ130は、シリコン単結晶基板からなり、保護基板用ウェハ130を接合することで流路形成基板用ウェハ110の剛性は著しく向上することになる。   Next, as shown in FIG. 8A, a protective substrate wafer 130 holding a plurality of patterned piezoelectric elements 300 is bonded onto the flow path forming substrate wafer 110 by, for example, an adhesive 35. The protective substrate wafer 130 is preliminarily formed with a reservoir portion 31, a piezoelectric element holding portion 32, and the like. The protective substrate wafer 130 is made of a silicon single crystal substrate, and the rigidity of the flow path forming substrate wafer 110 is remarkably improved by bonding the protective substrate wafer 130.

次いで、図8(b)に示すように、流路形成基板用ウェハ110をある程度の厚さとなるまで研磨する。次に、図8(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110上に、例えば、マスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図9に示すように、流路形成基板用ウェハ110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15を形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, the flow path forming substrate wafer 110 is polished to a certain thickness. Next, as shown in FIG. 8C, for example, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. Then, as shown in FIG. 9, the pressure generating chamber 12, the communication portion are formed by anisotropically etching (wet etching) the flow path forming substrate wafer 110 using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52. 13, an ink supply path 14 and a communication path 15 are formed.

その後は、流路形成基板用ウェハ110の圧力発生室12が開口する面側のマスク膜52を除去し、流路形成基板用ウェハ110及び保護基板用ウェハ130の周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ110の保護基板用ウェハ130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハ130にコンプライアンス基板40を接合し、これら流路形成基板用ウェハ110等を、図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッド1が製造される。   Thereafter, the mask film 52 on the surface side where the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate wafer 110 is opened is removed, and unnecessary portions of the peripheral portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are, for example, It is removed by cutting by dicing or the like. The nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the protective substrate wafer 130 is bonded, and the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130. The ink jet recording head 1 having the above-described structure is manufactured by dividing the flow path forming substrate wafer 110 and the like into a single chip size flow path forming substrate 10 as shown in FIG.

そして、このように製造されたインクジェット式記録ヘッド1は、結晶性に優れた誘電体膜72が積層された圧電体層70を有する圧電素子300が設けられているため、圧電素子300の変位特性等の圧電特性に優れ、インク吐出特性に優れたインクジェット式記録ヘッドとすることができる。   The ink jet recording head 1 manufactured in this way is provided with the piezoelectric element 300 having the piezoelectric layer 70 on which the dielectric film 72 having excellent crystallinity is laminated. Ink jet recording heads having excellent piezoelectric characteristics such as the above and excellent ink discharge characteristics can be obtained.

(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態1では、白金又はイリジウムからなる下電極膜60を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、誘電体前駆体膜71を形成する前に、下電極膜60上に誘電体膜72を結晶成長させる際の核となる種チタン等を設けるようにしてもよい。
(Other embodiments)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above. For example, in Embodiment 1 described above, the lower electrode film 60 made of platinum or iridium is illustrated, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, before the dielectric precursor film 71 is formed, the lower electrode film 60 is formed on the lower electrode film 60. You may make it provide seed titanium etc. which become the nucleus at the time of crystal growth of dielectric film 72.

また、上述した実施形態1では、圧電体層70を構成する誘電体膜72の形成方法として、ゾル−ゲル法を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、誘電体前駆体膜71をMOD(Metal-Organic Decomposition)法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のPVD(Physical Vapor Deposition)法を用いて形成後、誘電体前駆体膜71を加熱焼成して結晶化することで誘電体膜72を形成するようにしてもよい。   In the first embodiment described above, the sol-gel method is exemplified as a method for forming the dielectric film 72 constituting the piezoelectric layer 70. However, the present invention is not particularly limited thereto, and for example, the dielectric precursor film 71 is formed. The dielectric film 72 is formed by using PVD (Physical Vapor Deposition) method such as MOD (Metal-Organic Decomposition) method, sputtering method or laser ablation method, and then the dielectric precursor film 71 is heated and fired to be crystallized. May be formed.

また、上述した実施形態1では、流路形成基板10及び流路形成基板用ウェハ110として、結晶面方位が(110)面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が(100)面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、SOI基板等を用いるようにしてもよい。   In Embodiment 1 described above, the silicon single crystal substrate having a crystal plane orientation of (110) is exemplified as the flow path forming substrate 10 and the flow path forming substrate wafer 110. However, the present invention is not particularly limited thereto. A silicon single crystal substrate having a (100) crystal plane orientation may be used, or an SOI substrate or the like may be used.

さらに、上述した実施形態1では、照射手段202を、流路形成基板用ウェハ110の誘電体前駆体膜71が設けられた一方面とは反対側の他方面に相対向する位置、すなわち、流路形成基板用ウェハ110の他方面に光を照射するように設けたが、特にこれに限定されず、例えば、照射手段202を流路形成基板用ウェハ110の誘電体前駆体膜71が設けられた一方面側に光を照射するように設けるようにしてもよく、また、流路形成基板用ウェハ110の一方面及び他方面の両方に光を照射するように設けてもよい。   Furthermore, in the first embodiment described above, the irradiation means 202 is positioned opposite to the other surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the one surface on which the dielectric precursor film 71 is provided, that is, the flow direction. Although the other surface of the path forming substrate wafer 110 is provided to irradiate light, the present invention is not particularly limited thereto. For example, the irradiation means 202 is provided with the dielectric precursor film 71 of the channel forming substrate wafer 110. Alternatively, it may be provided so as to irradiate light on one surface side, or may be provided so as to irradiate both one surface and the other surface of the flow path forming substrate wafer 110.

なお、上述した実施形態1では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッド1を挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(電界放出ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。   In the first embodiment described above, the ink jet recording head 1 has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention broadly targets all liquid ejecting heads and ejects liquids other than ink. Of course, the present invention can also be applied to a method of manufacturing a liquid jet head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.

また、本発明は、圧電素子を有する液体噴射ヘッドの製造方法に限定されるものではない。即ち、本発明は、誘電体膜からなる圧電体層の製造方法に限定されず、あらゆる誘電材料からなる誘電体膜の製造方法に適用できることは言うまでもない。   Further, the present invention is not limited to a method for manufacturing a liquid jet head having a piezoelectric element. That is, it goes without saying that the present invention is not limited to a method for manufacturing a piezoelectric layer made of a dielectric film, but can be applied to a method for manufacturing a dielectric film made of any dielectric material.

実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment. 実施形態1に係る波長と吸収率との関係を示すグラフである。3 is a graph showing a relationship between a wavelength and an absorptance according to Embodiment 1. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the recording head manufacturing method according to the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 リザーバ部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 下電極膜、 70 圧電体層、 71 誘電体前駆体膜、 72 誘電体膜、 80 上電極膜、 90 リード電極、 100 リザーバ、 110 流路形成基板用ウェハ、 120 駆動回路、 121 接続配線、 130 保護基板用ウェハ、 200 加熱手段、 201 チャンバ、 202 照射手段、 300 圧電素子   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inkjet recording head (liquid jet head), 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 13 Communication part, 14 Ink supply path, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 31 Reservoir part, 32 Piezoelectric element Holder, 40 compliance substrate, 60 lower electrode film, 70 piezoelectric layer, 71 dielectric precursor film, 72 dielectric film, 80 upper electrode film, 90 lead electrode, 100 reservoir, 110 wafer for flow path forming substrate, 120 Drive circuit, 121 connection wiring, 130 protective substrate wafer, 200 heating means, 201 chamber, 202 irradiation means, 300 piezoelectric element

Claims (6)

シリコン単結晶基板からなる基板の一方面側に誘電体前駆体膜を形成する工程と、前記基板に8〜12μm帯の波長スペクトルピークを有する光を照射して、前記誘電体前駆体膜を加熱焼成して結晶化することを特徴とする誘電体膜の製造方法。   A step of forming a dielectric precursor film on one side of a substrate made of a silicon single crystal substrate; and heating the dielectric precursor film by irradiating the substrate with light having a wavelength spectrum peak in the 8-12 μm band A method for producing a dielectric film, characterized by firing and crystallizing. 前記基板への光の照射を、少なくとも前記基板の前記誘電体前駆体膜が設けられた一方面側とは反対側の他方面側から行うことを特徴とする請求項1記載の誘電体膜の製造方法。   2. The dielectric film according to claim 1, wherein the light irradiation to the substrate is performed at least from the other surface side opposite to the one surface side of the substrate on which the dielectric precursor film is provided. Production method. 前記基板への光の照射を、前記基板の前記誘電体前駆体膜が設けられた一方面側からと、前記一方面側とは反対側の他方面側とから行うことを特徴とする請求項1又は2記載の誘電体膜の製造方法。   The light irradiation to the substrate is performed from one surface side of the substrate on which the dielectric precursor film is provided and from the other surface side opposite to the one surface side. 3. A method for producing a dielectric film according to 1 or 2. 前記基板に光を照射する際に、所定の波長領域を除外した光を前記基板に照射することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の誘電体膜の製造方法。   4. The method of manufacturing a dielectric film according to claim 1, wherein, when the substrate is irradiated with light, the substrate is irradiated with light excluding a predetermined wavelength region. 5. 前記基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、前記圧電体層を形成する工程が、請求項1〜4の何れか一項に記載の誘電体膜を製造する方法であることを特徴とする圧電素子の製造方法。   Forming a piezoelectric layer, comprising: forming a lower electrode on the substrate; forming a piezoelectric layer on the lower electrode; and forming an upper electrode on the piezoelectric layer. A method for manufacturing a piezoelectric element, wherein the step is a method for manufacturing the dielectric film according to claim 1. 請求項5に記載の圧電素子の製造方法によって、前記基板に前記圧電素子を形成した後、当該基板を異方性エッチングすることにより液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。   6. The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 5, wherein after the piezoelectric element is formed on the substrate, the substrate is anisotropically etched to form a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening that ejects liquid. A method of manufacturing a liquid ejecting head.
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