JP2011091138A - 電気−機械変換素子とその製造方法、及び電気−機械変換素子を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板201または下地膜202上に、酸化物から成る第1の電極203を形成する工程、前記第1の電極上に電気−機械変換膜204を形成する工程、前記電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極205を形成する工程、前記第1の電極に金属から成る第3の電極を共通電極として導通形成する工程、を少なくとも備え、適宜、素子構成体表面に、金属電極を接続するためのコンタクトホールおよび/または外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜206を設ける工程、前記第2の電極に金属から成る第4の電極を個別電極として導通形成する工程を含む製造方法により電気−機械変換素子を作製し、液吐出ヘッド及び液吐出装置を構成する。
【選択図】図2
Description
たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料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て各圧力発生室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。
しかしながら、上記特許文献の実施例に記載されている共通電極である下電極としては主にPtなどの金属電極を用いたものであり、このような構成ではPZTに含まれる鉛(Pb)の拡散によるPtの特性劣化への影響があるため、疲労特性に対する保証が懸念されるほか、金属電極と圧電体層との密着性が十分でなく信頼性に不安がある。
しかし、下電極を金属酸化膜とする場合、下電極が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。さらに、下電極に酸化物電極を用いた場合、酸化物電極の比抵抗値が金属電極に比べて約101〜103倍高くなるため、このような問題が特に生じやすい。
特に、圧電素子の圧電体膜(圧電体層)としてPZTを使用した場合においても、鉛(Pb)の拡散を抑制すると共に、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させた場合でも圧電素子の変位量が安定して良好なインク吐出特性が得られ、且つ高密度に配列することができる圧電素子とその製造方法、及び前記圧電素子を有する液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置を提供することを目的とする。
基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極を形成する工程、
前記第1の電極上に電気−機械変換膜を形成する工程、
前記電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極を形成する工程、
前記第1の電極に金属から成る第3の電極を共通電極として導通形成する工程、
を少なくとも備え、
素子構成体表面に、前記第1の電極上および/または前記第2の電極上に金属電極を接続するためのコンタクトホールおよび/または外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を設ける工程を含むことを特徴とする電気−機械変換素子の製造方法により解決される。
本発明の電気−機械変換素子を作製する際、フォトリソエッチング法、インクジェット法、スクリーン印刷法等の幅広い手法と、フォトリソエッチング法、SAM膜形成手法などを組み合せた微細加工手段も適宜適用されるため、高密度に配列した素子を簡便に形成することができる。
本発明の電気−機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッド、及び該液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置を構成すれば、吐出安定性と耐久性に優れているため、インクジェット式記録装置用として好適に用いられる。インクジェット式記録装置としては、限定されないが、例えば、インクジェットプリンタ、MFPを使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等が挙げられ、さらにインクジェット技術を利用する三次元造型技術などへも適用可能である。
(1)前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、該複数の素子構成体表面に、前記第2の電極上に外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有し、且つ前記第1の電極上に第3の電極を接続するためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜が設けられ、該第3の電極を形成するためのコンタクトホールを介して前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成された構成(後述の図2参照)。
(2)前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、該複数の素子構成体表面に、前記第2の電極上に第4の電極を接続するためのコンタクトホールを有し、且つ前記第1の電極上に第3の電極を接続するためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜が設けられ、前記それぞれのコンタクトホールを介して前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されると共に、前記第2の電極に金属から成る第4の電極が個別電極として導通形成された構成(後述の図3参照)。
(3)前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成され、且つ、個別電極である前記第2の電極上、及び共通電極である前記第3の電極上にそれぞれ外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を素子構成体表面に設けた構成(後述の図4参照)。
(4)前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されると共に、前記第2の電極に金属から成る第4の電極が個別電極として導通形成され、且つ、共通電極である前記第3の電極上、及び個別電極である前記第4の電極上にそれぞれ外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を素子構成体表面に設けた構成(後述の図5参照)。
図2の概略図に、本発明に係る電気−機械変換素子の構成例を示す。
図2では、基板(201)表面に成膜された振動板(202)上に、第1の電極(203)、電気−機械変換膜(204)、第2の電極(205)が順次設けられ(独立した素子構成体を複数有する)、さらに絶縁保護膜(206)と、第1の電極(203)に共通電極として導通形成された金属から成る第3の電極(207)を配置した構成となっている。すなわち、絶縁保護膜(206)はコンタクトホールを有しており、コンタクトホールを介して第1の電極(203)と第3の電極(207)とが導通した構成となっている。なお、第1の電極(203)及び、第2の電極(205)は、後述する酸化物により形成されている。
電気−機械変換膜の材料としてPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)を選択した場合、本発明の第1の電極と第2の電極を酸化物電極とすることで、PZTを構成する組成分中の鉛(Pb)の拡散を防止すると共に、第3の電極として比抵抗の十分低い金属から成る電極(金属膜)を設けることで、電圧駆動を行ったときに共通電極に対して十分な電流を供給することができ、複数の素子構成体、すなわち多数の圧電素子を同時に駆動した場合においても、素子間でばらつきなくそれぞれ十分な変位量を得ることができる。
図3では、基板(301)表面に成膜された振動板(302)上に、第1の電極(303)、電気−機械変換膜(304)、第2の電極(305)が順次設けられ(独立した素子構成体を複数有する)、さらに絶縁保護膜(306)と、第1の電極(303)に共通電極として導通形成された金属から成る第3の電極(307)を配置し、さらに、第2の電極(305)上の一部にも、絶縁保護膜(306)にコンタクトホールを開けて、第2の電極(305)と導通がとれるように金属から成る第4の電極(308)を設けた構成となっている。なお、第1の電極(303)及び、第2の電極(305)は、後述する酸化物により形成されている。
図3の構成とすれば、個別電極である第2の電極(305)に対しても十分な電流を供給することができ、図2の構成に比べて、より素子間でのバラつきを少なくして、電気−機械変換素子のさらに十分な変位量が得られる。
図4では、基板(401)表面に成膜された振動板(402)上に、第1の電極(403)、電気−機械変換膜(404)、第2の電極(405)が順次設けられ(独立した素子構成体を複数有する)、第1の電極(403)に共通電極として導通形成された金属から成る第3の電極(407)を配置し、さらに絶縁保護膜(406)を設けた構成となっている。なお、第1の電極(403)及び、第2の電極(405)は、後述する酸化物により形成されている。
図4の構成については、第1の電極(403)と第3の電極(407)を接続した後に、絶縁保護膜(406)を形成した構成になる。そのため、絶縁保護膜(406)で覆われている領域としては、前記図2の構成に比べて広いため、電気ショート等による不具合や、水分あるいはガス等による圧電素子の損傷あるいは破壊の防止にはより効果的な構成となる。
図5では、基板(501)表面に成膜された振動板(502)上に、第1の電極(503)、電気−機械変換膜(504)、第2の電極(505)が順次設けられ(独立した素子構成体を複数有する)、第1の電極(503)に共通電極として導通形成された金属から成る第3の電極(507)を、第2の電極(505)に個別電極として導通形成された金属から成る第4の電極(508)をそれぞれ配置し、さらに絶縁保護膜(506)を設けた構成となっている。なお、第1の電極(503)及び、第2の電極(505)は、後述する酸化物により形成されている。
第2の電極(505)と第4の電極(508)を接続配置する図5の構成とすれば、個別電極に対しても十分な電流を供給することができ、図4の構成に比べて、より素子間でのバラつきを少なくして、電気−機械変換素子のさらに十分な変位量が得られる。
このようなインク吐出特性の優れた電気−機械変換素子は、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用されるインクジェット記録装置の液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置として有用である。
<基板>
基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。
また、図1に示すような圧力室を作製する場合、エッチング法を利用してシリコン単結晶基板に加工を施していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっており、本構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。
図1に示すように電気−機械変換膜によって発生した力を受けて、下地[振動板](105)が変形変位して、圧力室(101)内のインクをインク滴として吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。下地の構成材料としては、Si、SiO2、Si3N4をCVD法により作製したものが挙げられる。さらに、図1に示すような下部電極(106)、電気−機械変換膜(107)の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜としては、一般的に材料としてPZTが使用されることから、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数が適当であり、5×10−6〜10×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等であり、これらをスパッタ法もしくは、Sol−gel法(ゾルゲルプロセス)を用いてスピンコーターにて作製することができる。
膜厚としては0.1〜10μmが好ましく、0.5〜3μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと図1に示すような圧力室の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
前述のように、電気−機械変換膜として、例えば、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)のような鉛を含む複合酸化物を使用する場合、鉛と下部電極との反応、もしくは鉛の拡散が生じて、素子の圧電特性を劣化させる場合がある。従って、鉛との反応/鉛の拡散に対しバリア性のある電極材料が要求される。このような要求に対応するために本発明の構成では、第1の電極として導電性の酸化物を電極材料として用いる。
具体的には、化学式ABO3(A=Sr、Ba、Ca、La、B=Ru、Co、Niを主成分とする)で記述される複合酸化物、IrO2、あるいはRuO2から選択されるいずれかの酸化物電極材料が好ましく用いられる。
化学式ABO3で記述される複合酸化物としては、SrRuO3、CaRuO3や、これらの固溶体である(Sr1-xCax)O3のほか、LaNiO3、SrCoO3や、これらの固溶体である(La,Sr)(Ni1-yCoy)O3(y=1でもよい)が挙げられる。
まず、図6中のBに示すように、下地(1)の上にSAM膜(自己組織化単分子膜)(2)形成用の溶液を全面塗布する。SAM膜(略、「SAM」)材料としては、下地の材料によっても異なるが、酸化物を下地とする場合には主にシラン化合物が選定される。シラン化合物を用いる場合、分子鎖長により反応性や疎水(撥水)性が異なるものの、C6からC18の分子を一般的な有機溶媒(アルコール、アセトン、トルエンなど)に溶解させてSAM形成用の溶液を調製する。
電気−機械変換膜としては、限定されるものではないが、前記PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)膜が好ましく用いられる。
PZTは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合であり、化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3で表され、一般に、PZT(53/47)と示される。
PZT以外の複合酸化物としては、チタン酸バリウムなどが挙げられる。この場合には、バリウムアルコキシド化合物と、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
その具体例としては、(Pb1-xBax)(Zr、Ti)O3、(Pb1-xSrx)(Zr、Ti)O3などが挙げられ、これらはCサイトのPbを一部BaやSrで置換したものである。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
前記第1の電極と同様、本発明の構成では、第2の電極として導電性の酸化物を電極材料として用いる。すなわち、化学式ABO3(A=Sr、Ba、Ca、La、B=Ru、Co、Niを主成分とする)で記述される複合酸化物、IrO2、あるいはRuO2から選択されるいずれかの酸化物電極材料が好ましく用いられる。
化学式ABO3で記述される複合酸化物としては、SrRuO3、CaRuO3や、これらの固溶体である(Sr1-xCax)O3のほか、LaNiO3、SrCoO3や、これらの固溶体である(La,Sr)(Ni1-yCoy)O3(y=1でもよい)が挙げられる。
電気ショート等による不具合や水分やガス等による圧電素子の破壊防止を目的に絶縁保護膜を設ける。絶縁保護膜の材料としては、シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の無機膜、または、ポリイミド、パリレン膜等の有機膜が好ましい。絶縁保護膜の膜厚としては、0.5〜20μmが好ましく、1〜10μmがさらに好ましい。
膜厚が0.5μm未満であると絶縁保護膜としての機能が十分果たせなくなり、10μmを超えると所望の膜厚とするためのプロセス時間が長くなるため好ましくない。
ペースト材料を構成する樹脂としては、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル系樹脂、エチルセルロース樹脂などを含む材料が挙げられる。無機フィラーとしては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO3)等の無機粒子が挙げられる。中でもシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの比較的比誘電率の低い材料が好ましい。本発明において想定するような精細度のパターンを形成する場合においては、線径が15〜50μm、開口率が40〜60%のメッシュ中に充填されたペースト状材料を転写することで膜を形成するため、コンタクトホールと共に形成することができる。
第3の電極、及び第4の電極は、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irから選択されるいずれかの金属電極材料であることが好ましい。
第3の電極、及び第4の電極は、スパッタ法、スピンコート法を用いて所定の材料層を形成し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンとする方法により作製することができる。
また、前述のインクジェット工法により、第3の電極、あるいは第4の電極の下層となる表面を部分的に表面改質させる工程を用いて、パターニングされた膜(第3の電極、または第4の電極)を作製することができる。インクジェット工法により、第3の電極、あるいは第4の電極を作製していく場合については、第1の電極で説明したのと同様の作製フローによりパターニングされた膜(第3の電極、または第4の電極)を得ることができる。
表面改質材については、下層(絶縁保護膜)が酸化物である場合には主にシラン化合物を選定する。またPI(ポリイミド)のような有機物の場合には、予めPI表面に紫外線を照射して、照射した領域の表面エネルギーを増大させることができる。その結果、インクジェット工法を用いて、表面エネルギーを増大させた領域に、高精細な第3の電極、または第4の電極のパターンを直接描画することができる。さらに、表面エネルギーが小さいポリイミドを用いることにより、有機半導体層を高精細にパターニングすることが可能になる。紫外線で表面エネルギーを増大させることが可能な高分子材料としては、例えば、特開2006−060079号公報に記載されている材料を用いることができる。
例えば、パーフェクトゴールド(登録商標)(金ペースト、真空冶金社製商品名)、パーフェクトカッパー(銅ペースト、真空冶金社製商品名)、OrgaconPastevariant1/4、Pastevariant1/3(以上、印刷用透明PEDOT/PSSインク、日本アグファ・ゲバルト社製商品名)、OrgaconCarbonPastevariant2/2(カーボン電極ペースト、日本アグファ・ゲバルト社製商品名)、BAYTRON(登録商標)P(PEDT/PSS水溶液、日本スタルクヴィテック社製商品名)。
第3の電極、及び第4の電極の膜厚としては、0.1〜20μmが好ましく、0.2〜10μmがさらに好ましい。膜厚が0.1μm未満であると抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなってヘッド吐出が不安定になり、20μmを超えると所望の膜厚とするためのプロセス時間が長くなるため好ましくない。
前記いずれかに記載の電気−機械変換素子の製造方法であって、
基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極を形成する工程、
前記第1の電極上に電気−機械変換膜を形成する工程、
前記電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極を形成する工程、
前記第1の電極に金属から成る第3の電極を共通電極として導通形成する工程、
を少なくとも備え、素子構成体表面に、前記第1の電極上および/または前記第2の電極上に金属電極を接続するためのコンタクトホールおよび/または外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を設ける工程を含むことを特徴とするものである。
また、第2の電極に金属から成る第4の電極を個別電極として導通形成する工程を含むことができる。
これにより、フォトリソエッチング法により所望のパターンを作製するよりも工程数を短縮することができ、そして材料の無駄を省くことができる。
これにより、フォトリソエッチング法により所望のパターンを作製するよりも工程数を短縮することができ、そして材料の無駄を省くことができる。
これにより、インクジェット法を用いて所望のパターンを形成することができる。
基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極を形成する工程で用いる基板としては、例えば、シリコンウェハ等が用いられ、シリコンウェハに熱酸化膜を施して下地膜とすることができる。このような、基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極を形成する。
酸化物から成る第1の電極を形成する手順としては、基板または下地膜上に、酸化物(例えば、SrRuO3)をスパッタ法等により成膜する。次いで、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、エッチング法により第1の電極のパターンを形成する。
次に、第1の電極上に電気−機械変換膜を形成する。電気−機械変換膜を形成する手順としては、予め形成すべき電気−機械変換膜のパターンを形成(例えば、SAM処理、レジスト処理等)しておき、前駆体塗布液(例えば、PZT前駆体塗布液)を用いて、例えば、インクジェット法、あるいはスクリーン印刷法により実施することができる。
次に、電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極を形成する。酸化物から成る第2の電極を形成する手順としては、前記(基板または下地膜)/(酸化物から成る第1の電極)/(電気−機械変換膜)から成る形成体上に、酸化物(例えば、SrRuO3)をスパッタ法等により成膜する。次いで、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、エッチング法により第2の電極のパターンを形成する。
次に、素子構成体表面に、第1の電極上に金属電極(第3の電極)を接続するためのコンタクトホールおよび外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を形成する。絶縁保護膜を形成する手順としては、前記(基板または下地膜)/(酸化物から成る第1の電極)/(電気−機械変換膜)/(酸化物から成る第2の電極)から成る形成体上に、絶縁保護膜用の材料(例えば、パリレン等)を用いて成膜(例えば、CVD法等)し、次いで、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、エッチング法により実施することができる。
次に、第1の電極に金属から成る第3の電極を共通電極として導通形成する。金属から成る第3の電極を形成する手順としては、前記(基板または下地膜)/(酸化物から成る第1の電極)/(電気−機械変換膜)/(酸化物から成る第2の電極)/(絶縁保護膜)から成る形成体上に、金属(例えば、Al等)を成膜(スパッタ法等)し、次いで、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、エッチング法により実施することができる。
シリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、その上に第1の電極を形成するため、SrRuO3膜(膜厚200nm)をスパッタ法により成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて図2に示すようなパターンを作製した。
次に、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、酸素プラズマ処理を行い露出部のSAM膜を除去した。処理後の残渣レジストはアセトンにて溶解除去し、前記同様に接触角の測定を行ったところ、SAM膜の除去部では46.2°、レジストでカバーされていた部位のそれは104.3°の値を示し、SAM膜のパターン化がなされたことを確認した。
すなわち、PZT前駆体塗布液の合成には、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学量論組成に対し、鉛量を10モル%過剰にした。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.1モル/リットルにした。
図7は実施例において用いたインクジェット塗布装置を説明するための斜視図である。
図7において、架台(200)の上に、Y軸駆動手段(201)が設置してあり、その上に、基板(202)を搭載するステージ(203)が、Y軸方向に駆動できるように設置されている。なお、ステージ(203)には、図示されていない真空、静電気などの吸着手段が付随しており、基板(202)が固定されている。また、X軸支持部材(204)には、X軸駆動手段(205)が取り付けられており、これにZ軸駆動手段(211)上に搭載されたヘッドベース(206)が取り付けられており、X軸方向に移動できるようになっている。ヘッドベース(206)の上には、インクを吐出させるIJヘッド(208)が搭載されている。このIJヘッドには、図示されていない各インクタンクから各々着色樹脂インク供給用パイプ(210)を経由してインクが供給される。
一度の成膜で得られる膜厚は100nm前後が好ましく、PZT前駆体塗布液の濃度は、成膜面積とPZT前駆体塗布液塗布量の関係から適正化される。図6のEはインクジェット塗布装置により塗布された状態を示しており、接触角のコントラスト(接触角の違い)のため、PZT前駆体塗布液は親水部のみに広がりパターンを形成する。これを第一の加熱(溶媒乾燥)として120℃処理後、有機物の熱分解(500℃)を行うことで図6のFを得る。このときの膜厚は、例えば、90nm程度とされる。
第2の電極の形成までは、実施例1と同様な作製を行った後、第3の電極としてAl膜(膜厚5μm)をスパッタ法により成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、RIE(サムコ製)を用いて図4に示すようなパターンを作製した。
絶縁保護膜(図3に示すようなコンタクトホールを有する絶縁保護膜)の形成までは、実施例1と同様に作製を行った後、第3の電極と第4の電極としてAl膜(膜厚5μm)をスパッタ法により成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、RIE(サムコ製)を用いて、コンタクトホールを介して前記第1の電極に金属(Al)から成る第3の電極が共通電極として導通形成されると共に、前記第2の電極に金属(Al)から成る第4の電極が個別電極として導通形成された図3に示すようなパターンを作製し、電気−機械変換素子を作製した。
第2の電極形成までは、実施例1と同様な作製を行った後、第3の電極、及び第4の電極としてAl膜(膜厚5μm)をスパッタ法により成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後、RIE(サムコ製)を用いて図5に示すようなパターンを作製した。
シリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、シラン化合物として0TS〔オクタ(C8)トリクロロシラン〕を用い、濃度0.01モル/リットル溶液(溶媒:エタノール)に浸漬させ、SAM(自己組織化単分子膜)処理を行った。その後、エタノールで洗浄・乾燥後、パターニングの工程(図6)に移る。
インクジェット方式に用いたPZT前駆体塗布液の合成には、出発材料にイソプロポキシドランタン、ビス(アセチルアセトナト)ニッケル(II)(二水和物)を用いた。
ビス(アセチルアセトナト)ニッケル(II)(二水和物)の脱水処理を行った後、イソプロポキシドランタン、ビス(アセチルアセトナト)ニッケル(II)をメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、LaNiO3前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.1モル/リットルにした。この溶液を実施例1と同様なインクジェット塗布装置を用いて親水領域に塗布した。接触角のコントラストのため、PZT前駆体溶液は親水部のみに広がりパターンを形成する。これを第一の加熱(溶媒乾燥)として150℃処理し、酸素雰囲気化で昇温速度(10℃/min)にて400℃で1時間熱処理を行い結晶化させた。このときの膜厚は90nmであった。引き続き、イソプロピルアルコール洗浄後、前記同様の浸漬処理を繰返してSAM膜を形成した。前記工程を3回繰り返し270nmの膜を得た。膜にクラックなどの不良は生じなかった。
第2の電極形成までは、実施例5と同様にして作製を行った後、シリカペーストを用いて絶縁保護膜をスクリーン印刷により形成した。
具体的な処方は、ポリビニルブチラール濃度:5wt%(テルピネオール+ブトキシエタノール)バインダーに対し、70wt%のシリカフィラーを添加した。
このように調整したペーストを用い、スクリーン印刷(カレンダーメッシュ:500番、乳厚5ミクロンのスクリーン版)を行い、120℃で乾燥することで、絶縁保護膜を形成した。この絶縁保護膜は形成時に、約100μm×100μmのコンタクトホールが形成できていることが確認できた。
実施例1と同様な方法で、絶縁保護膜まで形成し、図8に示すようなパターン(金属から成る第3の電極、及び金属から成る第4の電極が設けられない構成)を作製し、電気−機械変換素子を作製した。
なお、図8において、各符号、801は基板、802は振動板、803は第1の電極、804は電気−機械変換膜、805は第2の電極、806は絶縁保護膜を示す。
シリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、その上に第1の電極を形成するため、Ti膜(膜厚50nm)とPt膜(膜厚200nm)を順次スパッタ法により成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて図3(但し、比較例2では第1の電極、及び第2の電極は金属から成る)に示すようなパターンを作製した。
絶縁保護膜、第3の電極、及び第4の電極については実施例3と同様に作製することで、電気−機械変換素子を作製した。
初期特性においては、いずれの電気-機械変換素子も、比誘電率(εr)は1200前後、誘電損失(tanδ)は0.02程度、残留分極(Pr)は20〜25μC/cm2、抗電界(Ec)は40〜50kV/cmであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を示している。代表的なP−Eヒステリシス曲線を図12に示す。
電気−機械変換能は電界印加による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性における圧電定数(d31)は-140〜-160pm/Vとなり、こちらもセラミック焼結体と同等の値であった。これは液体吐出ヘッドとして十分設計できうる特性値である。
上記特性に関して、耐久性(1010回繰り返し印可電圧を加えた直後の特性)を評価した。結果を下記表1に示す。
図9は、図1に示すノズルの液体吐出ヘッド構成を複数個配置したものである。図9における各符号、901は圧力室、902はノズル、903はノズル板、904は圧力室基板(Si基板)、905は振動板、906は密着層、907は電気−機械変換素子を示す。
図9中の電気−機械変換素子は本発明により簡便な製造工程で形成され、且つ、バルクセラミックスと同等の性能を有するものであり、素子形成後の圧力室形成(裏面からのエッチング除去)、ノズル孔を有するノズル板の接合等により液体吐出ヘッドが構成される。なお、図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。
各ノズル孔からの吐出安定性、ノズル孔からの吐出ばらつきの評価結果を下記表1に併せて示す。なお、評価基準は下記による。
[各ノズル孔からの吐出安定性]
○:安定しているもの、
△:やや安定性のないもの、
×:安定性のないもの
[ノズル孔からの吐出ばらつき]
○:ばらつきのないもの
△:ややばらつくもの
×:ばらつきの大きいもの
また、各ノズル孔からの吐出安定性、ノズル孔からの吐出ばらつきの評価から、実施例についてはいずれも良好な吐出特性が得られているが、比較例1については、ノズル箇所によっては吐出がばらつき、安定していなかった。また、比較例1と2については、わずかではあったが吐出ばらつきが発生しており、いずれも吐出特性に問題を有することが認められた。
電気−機械変換素子の形成には、フォトリソエッチング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、フォトリソエッチング法、SAM膜形成手法など微細加工手段が適宜適用されるため、高密度に配列した素子を簡便に構成することができる。
本発明の電気−機械変換素子を用いた液滴吐出ヘッド、及び該液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置は、吐出安定性と耐久性に優れているため、インクジェット式記録装置(例えば、インクジェットプリンタ、MFPを使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等)用として有用である。また、インクジェット技術を利用する三次元造型技術などへの応用も可能である。
101 圧力室
102 ノズル
103 ノズル板
104 圧力室基板(Si基板)
105 下地
106 下部電極
107 電気−機械変換膜
108 上部電極
109 電気−機械変換素子
(図2)
201 基板
202 振動板
203 第1の電極
204 電気−機械変換膜
205 第2の電極
206 絶縁保護膜
207 第3の電極
(図3)
301 基板
302 振動板
303 第1の電極
304 電気−機械変換膜
305 第2の電極
306 絶縁保護膜
307 第3の電極
308 第4の電極
(図4)
401 基板
402 振動板
403 第1の電極
404 電気−機械変換膜
405 第2の電極
406 絶縁保護膜
407 第3の電極
(図5)
501 基板
502 振動板
503 第1の電極
504 電気−機械変換膜
505 第2の電極
506 絶縁保護膜
507 第3の電極
(707)
(図6)
1 下地(1)
2 SAM膜(自己組織化単分子膜)(2)
3 フォトレジスト(3)
4 IJヘッド(4)
(図7)
200 架台
201 Y軸駆動手段
202 基板
203 ステージ
204 X軸支持部材
205 X軸駆動手段
206 ヘッドベース
208 IJヘッド
210 着色樹脂インク供給用パイプ
211 Z軸駆動手段
(図8)
801 基板
802 振動板
803 第1の電極
804 電気−機械変換膜
805 第2の電極
806 絶縁保護膜
(図9)
901 圧力室
902 ノズル
903 ノズル板
904 圧力室基板(Si基板)
905 振動板
906 密着層
907 電気−機械変換素子
(図10、図11)
81 記録装置本体(81)
82 印字機構部(82)
83 用紙(83)
84 給紙カセット(84)
85 トレイ(85)
86 排紙トレイ(86)
91 主ガイドロッド(91)
92 従ガイドロッド(92)
93 キャリッジ(93)
94 記録ヘッド(94)
95 インクカートリッジ(95)
97 主走査モータ(97)
98 駆動プーリ(98)
99 従動プーリ(99)
100 タイミングベルト(100)
101 給紙ローラ(101)
102 フリクションパッド(102)
103 ガイド部材(103)
104 搬送ローラ(104)
105 搬送コロ(105)
106 先端コロ(106)
107 副走査モータ(107)
109 印写受け部材(109)
111 搬送コロ(111)
112 拍車(112)
113 排紙ローラ(113)
114 拍車
115 ガイド部材
116 ガイド部材
117 回復装置
Claims (22)
- 基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、少なくとも前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されたことを特徴とする電気−機械変換素子。
- 前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、該複数の素子構成体表面に、前記第2の電極上に外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有し、且つ前記第1の電極上に第3の電極を接続するためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜が設けられ、該第3の電極を形成するためのコンタクトホールを介して前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されたことを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。
- 前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、該複数の素子構成体表面に、前記第2の電極上に第4の電極を接続するためのコンタクトホールを有し、且つ前記第1の電極上に第3の電極を接続するためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜が設けられ、前記それぞれのコンタクトホールを介して前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されると共に、前記第2の電極に金属から成る第4の電極が個別電極として導通形成されたことを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。
- 前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成され、且つ、個別電極である前記第2の電極上、及び共通電極である前記第3の電極上にそれぞれ外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を素子構成体表面に設けたことを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。
- 前記基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極と、該第1の電極上に電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極とが順次設けられた独立した素子構成体を複数有し、前記第1の電極に金属から成る第3の電極が共通電極として導通形成されると共に、前記第2の電極に金属から成る第4の電極が個別電極として導通形成され、且つ、共通電極である前記第3の電極上、及び個別電極である前記第4の電極上にそれぞれ外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を素子構成体表面に設けたことを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。
- 前記電気−機械変換膜が、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)膜であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記酸化物から成る第1の電極及び前記酸化物から成る第2の電極を構成する材料が、化学式ABO3(A=Sr、Ba、Ca、La、B=Ru、Co、Niを主成分とする)で記述される複合酸化物、IrO2、RuO2から選択されるいずれかの酸化物電極材料であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記第3の電極を構成する材料、または、前記第3の電極及び前記第4の電極を構成する材料が、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irから選択されるいずれかの金属電極材料であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記絶縁保護膜が、シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜から選択されるいずれかの無機膜、またはポリイミド、パリレン膜から選択されるいずれかの有機膜であることを特徴とする請求項2乃至8のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 前記絶縁保護膜が、樹脂と、有機フィラーまたは無機フィラーから形成されたものであることを特徴とする請求項2乃至9のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の電気−機械変換素子の製造方法であって、
基板または下地膜上に、酸化物から成る第1の電極を形成する工程、
前記第1の電極上に電気−機械変換膜を形成する工程、
前記電気−機械変換膜上に酸化物から成る第2の電極を形成する工程、
前記第1の電極に金属から成る第3の電極を共通電極として導通形成する工程、
を少なくとも備え、
素子構成体表面に、前記第1の電極上および/または前記第2の電極上に金属電極を接続するためのコンタクトホールおよび/または外部接続部と接触させるためのコンタクトホールを有する絶縁保護膜を設ける工程を含むことを特徴とする電気−機械変換素子の製造方法。 - 前記第2の電極上に金属から成る第4の電極を個別電極として導通形成する工程を含むことを特徴とする請求項11に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記製造方法において、第3の電極と前記第4の電極が、同一工程中に形成されることを特徴とする請求項12に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極を、スパッタもしくはスピンコーターにより製膜し、フォトリソエッチング法を用いて所望のパターンに形成することを特徴とする請求項11に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極を、インクジェット法を用いて所望のパターンに形成することを特徴とする請求項11に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記絶縁保護膜、前記第3の電極を、スクリーン印刷法を用いて形成することを特徴とする請求項11に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記第4の電極を、フォトリソエッチング法、インクジェット法、およびスクリーン印刷法から選択されるいずれかの方法を用いて形成することを特徴とする請求項12に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記基板または下地膜、あるいは前記絶縁保護膜を部分的に表面改質させる工程を含むことを特徴とする請求項11乃至17のいずれかに記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記表面改質が、チオール化合物またはシラン化合物を用いてなされることを特徴とする請求項18に記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 前記絶縁保護膜のコンタクトホールをフォトリソエッチング法により形成することを特徴とする請求項11乃至19のいずれかに記載の電気−機械変換素子の製造方法。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の電気−機械変換素子を有することを特徴とする液吐出ヘッド。
- 請求項21に記載の液吐出ヘッドを有することを特徴とする液吐出装置。
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