JP2010251766A - 定向圧電膜を備えたインクジェット印刷モジュール - Google Patents

定向圧電膜を備えたインクジェット印刷モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】単結晶の圧電性能に近い、改善された物理特性を有する圧電膜を提供する。
【解決手段】圧電膜１８は基板１０上に堆積された針状種結晶５を含む。圧電膜１８は、基板１０上に針状種結晶５をおく工程、基板１０上の針状種結晶５の向きを定める工程及び種結晶５から圧電膜１８を成長させる工程により作成される。種結晶５は、バルク結晶または結晶膜の成長の核となる結晶材料である。最終的に圧電膜１８に組み込まれる定向針状結晶５は、成長して圧電膜１８を形成する、結晶領域の成長の核となる。より厚い圧電膜に対しては、成長時間を長くすることができ、あるいは、所望の膜厚に達するまで膜形成プロセスを反復することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電素子に関する。
圧電膜は、インクジェット印刷モジュール及び表面弾性波素子のような用途で広範に使用することができる。インクジェット印刷モジュールの圧電膜は電圧が印加されると大きく撓むことができる。電圧印加により、印刷モジュールのジェット噴射領域で圧電膜の形状を変えて、モジュール内のインクにジェット噴射圧をかけることができる。この結果、ジェット噴射圧により、ポンピングチャンバからインクを射出することができ、インクを媒体上に被着させることができる。圧電膜はジルコン酸チタン酸鉛(“ＰＺＴ”)からなることができる。圧電膜は、例えば、スパッタリングのような物理的気相成長法、化学的気相成長法、またはゾル−ゲル法のようなスピンコーティング技法を含む方法により形成することができる。成長時間を長くとることによるか、個別膜の成長を反復してより厚い膜を積み上げることによるか、または通常のバルクセラミック作成方法によって、より厚い圧電膜を作成することができる。
単結晶の圧電性能に近い、改善された物理特性を有する圧電膜を提供する。
圧電膜は、基板上に定向配置された針状種結晶から作成することができる。膜は針状種結晶から成長する。針状種結晶から成長した圧電膜は、対称種結晶または非定向配置種結晶から成長した膜に比較して、改善されたｄ係数を有することができる。
種結晶は、バルク結晶または結晶膜の成長の核となる結晶材料である。針状種結晶は非球形結晶である。
一態様において、圧電素子を作成する方法は、針状種結晶を基板上におく工程、基板上の針状種結晶の向きを定める工程、針状種結晶から圧電膜を成長させる工程を含む。種結晶は、基板上に種結晶を堆積させることにより、基板上におくことができる。種結晶の向きは種結晶を含む前駆体の流れを基板上に誘起する工程により定めることができる。前駆体の流れを誘起する工程は基板上に前駆体をスピンコーティングするかまたは浸漬コーティングする工程を含む。種結晶の向きを定める工程は基板上にゾルをスピンコーティングする工程を含む。圧電膜の成長工程はゲルの形成を含む。
針状種結晶は単結晶とすることができる。針状種結晶は基板表面に実質的に平行な長さを有することができる。種結晶は、１.５：１より大きいか、２：１より大きいか、または２.４：１より大きいアスペクト比を有する。針状種結晶は小板状とすることができる。本方法は、基板上に第２の針状種結晶をおく工程、基板上の第２の種結晶の向きを定める工程、及び第２の針状種結晶から圧電膜を成長させる工程をさらに含むことができる。
インクジェット印刷モジュールの圧電膜は、約０.１から２５μｍの範囲、０.５から１０μｍの範囲、または０.１から５μｍの範囲の厚さを有することができる。圧電膜は極性を付与するかまたはアニールすることができる。膜はジルコン酸チタン酸鉛を含むことができる。
別の態様において、インクジェット印刷モジュールは基板及び基板上の圧電膜を備え、膜は基板上で実質的に同じ方向に向きが定められた複数の針状種結晶を含む。それぞれの種結晶は基板表面に実質的に平行な長さを有することができる。基板はシリコンとすることができる。インクジェット印刷モジュールは、インク流路及び、圧電膜の作動のために配置された、電気コンタクトを備える。圧電膜は、作動中に流路をインクで満たしてジェット噴射圧をかけるための位置に配される。
別の態様において、インクジェット印刷モジュールの作成方法は、種結晶を表面に近接させて堆積させる工程、長さが表面に実質的に平行であるように種結晶を配置する工程、及び種結晶から圧電膜を成長させる工程を含む。表面に近接している場合、種結晶は表面に接触するかまたはほぼ接触することができる。種結晶は、長さ、厚さ及び１.１：１より大きなアスペクト比を有する。表面は基板の一部である。種結晶は長さが実質的に表面に平行であるように配置することができ、これには表面上の種結晶を含む前駆体の流れが含まれる。種結晶は、例えばスピンコーティングまたは浸漬コーティングにより、種結晶を含む前駆体の流れを誘起する工程により配置することができる。前駆体はゾルとすることができる。本方法において、前駆体の流れを誘起する工程はゾルのスピンコーティングを含むことができる。
添付図面及び以下の説明において詳細が述べられる。その他の特徴及び利点は説明及び図面から、また特許請求の範囲から、明らかであろう。
針状種結晶を含む圧電膜の略図を示す図面である
圧電膜を作成する方法は、基板上に針状種結晶をおく工程及び種結晶の向きを定める工程を含むことができる。最終的に圧電膜に組み込まれる定向針状結晶は、成長して圧電膜を形成する、結晶領域の成長の核となる。より厚い圧電膜に対しては、成長時間を長くすることができ、あるいは、所望の膜厚に達するまで膜形成プロセスを反復することができる。
図１を参照すれば、圧電膜１８は基板１０上に堆積された針状種結晶５を含む。膜は、基板上に針状種結晶をおく工程、基板上の針状種結晶の向きを定める工程及び種結晶から圧電膜を成長させる工程により作成される。種結晶は、バルク結晶または結晶膜の成長の核となる結晶材料である。針状種結晶は単結晶とすることができる。種結晶は、例えばジルコン酸鉛及びチタン酸鉛のような、三元組成、あるいは、例えばジルコン酸チタン酸鉛またはニオブ酸マグネシウム酸鉛のような四元組成とすることができる。
針状種結晶は、結晶の定向配置を容易にするための非球形結晶である。針状種結晶の寸法は、長さ、厚さ及び、１.１：１より大きいアスペクト比、すなわち厚さに対する長さの比を有するような寸法である。アスペクト比は１.５：１より大きく、２：１より大きく、または２.４：１より大きくすることができる。長さは、２から５０μｍの間、または３から２５μｍの間とすることができる。厚さは、０.１と２０μｍの間、または０.５と１０μｍの間とすることができる。高いアスペクト比を有する種結晶であるほど、膜形成プロセス中に容易に定向配置を行うことができる。針状種結晶は、クリスタル・アソシエーツ(Crystal Associates)(米国ニュージャージー州イーストハノーバー(East Hanover))から市販されているような、単結晶とすることができる。圧電膜の作成に適する種結晶は、例えば、アスペクト比が２.５：１のニオブ酸マグネシウム酸鉛−チタン酸鉛(ＰＭＮ−ＰＴ)結晶とすることができる。ある種の状況の下では、針状種結晶は、幅、厚さ及び長さを有し、厚さに対する長さのアスペクト比が１.５：１より高く、厚さに対する幅のアスペクト比が１.５：１より高い、小板状とすることができる。
針状種結晶は前駆体の流れにより向きを定めて配置することができる。前駆体は、圧電薄膜を形成するために熱的または化学的に転換させることができる、種結晶のためのキャリアである。図１を参照すれば、膜の成長の核となるために用いられる針状種結晶５は、厚さ２０及び基板１０の表面２４に実質的に整列された長さ２２を有する。針状種結晶の長さが前駆体の流れに実質的に平行になるように、前駆体の流れが針状種結晶を整列させる。針状種結晶の整列は、ある程度は、針状種結晶の長さが概ね流れの方向に対応するように流れが結晶を回転させて、針状種結晶の向きを定めることから、生じる。
膜の成長は定向針状種結晶を核とすることができる。圧電薄膜成長中に、成長促進種が粒界に存在することができる。圧電膜の結晶化プロセスにおける複数の針状種結晶による種付けにより、圧電膜内の複数のサイトにおいて結晶化がおこることが可能になり、よって圧電膜マトリックス全体にわたって向きが定められた構造が広がる。針状種結晶は向きが定められているから、成長は、基板の表面に対して実質的に同じ結晶方位でおこる。定向針状種結晶は、通常の態様における膜の成長核となることで、結晶化中の疑似エピタキシャル成長を可能にする。この結果、膜の圧電性能は単結晶の圧電性能にある程度近づき得る。圧電膜のｄ係数で測定される弾性及び撓み特性のような物理特性を、対称種結晶または非定向種結晶から成長した膜に比較して改善することができる。
圧電膜はジルコン酸チタン酸鉛(ＰＺＴ)からなることができる。ジルコン酸チタン酸鉛(ＰＺＴ)圧電体薄膜はゾル−ゲルプロセスによって基板上に堆積させることができる。ゾル−ゲルプロセスは、例えば、イー(Yi)等，「ゾル−ゲルプロセスによるＰｂ(ＺｒＴｉ)Ｏ３薄膜の作成：電気、光学及び電気−光学特性(Preparation of Pb(ZrTi)O3 Thin Films by Sol Gel Processing: Electrical, Optical, and Electro-Optical Properties)」，Journal of Applied Physics, １９８８年，第６４巻，第５号，ｐ.２７１７−２７２４に述べられているプロセスにより一部を変えることができる。圧電膜の作成に用いられる前駆体化合物は、高い溶媒溶解度、良好な相互適合性を有することができ、それぞれの対応する金属酸化物に容易に転換されるべきである。膜形成条件は、圧電膜内の金属比が前駆体の金属比から変わらずにいるように、前駆体化合物のいかなる有意な昇華も避けるように選ぶことができる。例えばＰＺＴ膜は、酢酸鉛(Ｐｂ(ＣＨ３ＣＯ２)２・３Ｈ２Ｏ)，ジルコニウムプロポキシド(Ｚｒ(Ｃ３Ｈ７Ｏ)４)及びチタンイソプロポキシド(Ｔｉ((ＣＨ３)２ＣＨＯ)４)の混合物から形成することができる。
例えば、プロセス中に、ゾルのような前駆体を作成することができる。例えばゾルを、ＰＺＴ膜の作成のためのゾルの作成のための化学組成を示す、表１にしたがって作成することができる。ゾルの作成において、酢酸１ｍｌに酢酸鉛２ｇの割合で酢酸鉛を酢酸に溶かし、続いて、水を除去するために溶液を１０５℃に加熱する。次いで、脱水溶液を８０℃より低い温度まで冷却してから、ジルコニウムプロポキシド及びチタンイソプロポキシドを段階的に加える。例えば、ジルコニウムプロポキシドを先に加え、続いてチタンイソプロポキシドを加えることができる。凝集した固体が全て溶解するまで、混合物を超音波浴内で攪拌する。混合物を蒸留水またはプロパノールで希釈して、ゾルの粘度及び表面張力を調節する。次いで、ゾルをメンブランフィルタで濾過し、貯蔵する。
Figure 2010251766
ゾルのスピンコーティングまたは浸漬コーティングにより基板上の種結晶の向きを定めるために、ゾルを用いることができる。ゾル内の化合物の濃度及び粘度を変えることにより、膜厚を変えることができる。化合物の濃度が低くなるほど、膜は平滑になる。圧電膜は、ＰＺＴ膜に用いられる化合物の濃度及び粘度に依存して、０.１から５μｍの厚さを有することができる。亀裂の発生を防止し、膜の表面平滑性を向上させるため、エチレングリコールのような添加剤を含めることができる。
基板はシリコンとすることができる。シリコンは、薄膜堆積及び、圧電膜を含む素子の作成を容易にすることができる、フォトレジストプロセスに適する基板であり得る。シリコン基板は、インクジェットヘッドのインクチャンバプレートとしての使用に必要な、機械特性、電気特性及び熱特性を有し得る。シリコンでは、例えば集積回路製造技術による、同じ基板上への適するシステム制御コンポーネントの組込みも可能になる。１つの針状種結晶または複数の針状種結晶が完成ゾル内に分散される。ゾルは、重量で１０〜９０％または１５〜３０％の種結晶を含有することができる。種結晶を含有する完成ゾルはスピンナー上に載せられた基板に塗布される。針状種結晶が径方向に外向きの流れに沿って整列し、結晶の長さが基板表面に実質的に平行な向きに揃えられるように、径方向に外向きの流れをつくりだすことによりスピン回転中のゾルの流れが種結晶の向きを定めることができる。８５００ｒｐｍで２０秒間動作する、ヘッドウエイ・リサーチ・インコーポレーテッド(Headway Research Incorporated)のフォトレジストスピンナーを、例えば、基板をスピン回転させるために用いることができる。同様に、ゾルが入っているバットで基板を浸漬コーティングすることにより膜を作成することができる。制御された速度で基板がバットから引き出される。バットからの基板の引出しにより、基板表面に対して針状種結晶が整列するような流れがつくられる。
前駆体の塗布後、前駆体材料は４００℃と６００℃の間の温度に加熱されて、無機セラミック膜に転換される。このプロセス中に、溶媒が蒸発でき、脱水がおこることができて、化合物の金属酸化物への分解もおこることができる。非晶質膜はアニールすることができ、アニールにより膜を緻密化することができる。アニール中に膜の結晶性が確立される。針状種結晶は、エピタキシャル結晶化をおこさせて結晶膜を形成することにより、結晶成長に影響することができる。膜は６００℃から１０００℃までの加熱によりアニールすることができ、これは結晶膜の定向成長をさらに強める。サイクル時間を短くするため及び、小さく、一様な結晶粒構造を得るために、高速熱アニールを用いることができる。化学量論的組成を維持するために、雰囲気を制御することができる。コーティングされた基板を、約１００℃/秒の速度でほぼ１０００℃まで加熱し、その温度に約１９秒間維持し、続いて、コーティングされた基板を不活性ガスの循環により約３０秒で室温まで冷却することができる。
電場の印加により圧電膜に極性を付与することができる。極性付与プロセスは、例えば、その全体が本明細書に参照として含まれる、米国特許第５６０５６５９号明細書に説明されている。付与される極性の強さは印加電場の強度及び持続時間に依存し得る。極性付与電圧が取り除かれると、膜の圧電ドメインが定向整列している。膜は定向種結晶から成長するから、同等の非定向膜と比較してドメイン整列の定向性を強めることができる。
圧電インクセット印刷モジュールの一例が米国特許第５２６５３１５号明細書に説明されており、この明細書の全内容は本明細書に参照として含まれる。図１を参照すれば、圧電膜１８をもつインクジェットチャンバはシリコン基板１０を備え、基板１０の下表面にはオリフィスプレート４３が取り付けられている。約０.２μｍ厚の、白金、ニッケル等の薄い金属バリア層４４が基板１０の上表面に存在し得る。圧電膜の作動のために配置された、電気コンタクトをもつ電極パターンを、金属バリア層４４に重なる層４５におくことができる。圧電膜１８は電極パターン層４５上に設けることができる。
圧電膜１８をもつインクジェットチャンバの作成方法はシリコン基板１０の下表面にオリフィスプレート４３を取り付ける工程を含む。次いで、約０.２μｍ厚の金属バリア層４４を基板１０の上表面に設けることができる。導電層は、スパッタリングまたは真空蒸着された、アルミニウム、ニッケル、クロムまたは白金層とすることができる。フォトレジスト層が導電層上にスピンコーティングされ、次いでマスクを通して紫外線で露光され、現像されて、電極パターンにしたがう選択された領域でレジスト層が硬化する、通常のフォトレジスト法により電極パターン４５がエッチングで形成される。硬化しないフォトレジストは除去され、露出した金属層がエッチングされ、続いてフォトレジスト層が剥離されて、層に導電電極パターンが残る。その後、上述したプロセスにより、圧電膜１８が電極パターン４５の上表面に設けられる。所要の圧電膜厚を得るため、圧電材料の連続層の被着を反復することができる。電極パターンを圧電薄膜の上表面に設けることができる。
インクチャンバからインクをジェット噴射させるため、電圧が電極に印加される。電圧を印加すると、印刷モジュールのジェット噴射領域において圧電薄膜の形状が変わり、インク流路内のインクにジェット噴射圧をかける。したがって、ジェット噴射圧がインクをインク流路からオリフィスを通して射出し、インクを媒体上に被着させることができる。圧電膜をもつインクチャンバを有するインクジェットヘッドを作成するための代表的なプロセスは、例えば、その全体が本明細書に参照として含まれる、米国特許第５２６５３１５号明細書に説明されている。
その他の実施形態は、添付される特許請求事項の範囲内にある。
５ 針状種結晶
１０ 基板
１８ 圧電膜
４３ オリフィスプレート
４４ 金属バリア層
４５ 電極パターン層

Claims (9)

  1. インクジェット印刷モジュールにおいて、
    基板、及び
    前記基板上の圧電膜
    を備え、前記圧電膜が、前記基板上の同じ方向に向きが定められた複数の針状種結晶を含むことを特徴とするインクジェット印刷モジュール。
  2. 前記複数の針状種結晶のそれぞれが前記基板の表面に平行な長さを有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
  3. 前記種結晶が１.５：１より高いアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
  4. 前記アスペクト比が２：１より高いことを特徴とする請求項３に記載のインクジェット印刷モジュール。
  5. 前記アスペクト比が２.４：１より高いことを特徴とする請求項３に記載のインクジェット印刷モジュール。
  6. 前記圧電膜が０.１から２５μｍの範囲にある厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
  7. 前記圧電膜が０.５から１０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
  8. 前記圧電膜が０.１から５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
  9. 前記インクジェット印刷モジュールが、インク流路、前記圧電膜の作動のために配置された電気コンタクト及び作動中に前記流路内のインクにジェット噴射圧をかけるための位置に配された前記圧電膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット印刷モジュール。
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