JP2012033779A - 薄膜形成装置、薄膜形成方法、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックやアブレーションにより劣化が生じることを低減させる。
【解決手段】基板上の薄膜形成において、薄膜形成にかかるインク滴が塗布された領域に対応した位置の、そのインク滴が塗布された面の裏面に、塗布された領域よりも照射範囲を大きくしたレーザ光を照射し、そのインク滴が塗布された領域に対応した位置の、そのインク滴が塗布された面に、塗布された領域に対応した範囲にレーザ光を照射してインク滴を加熱して焼成させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、薄膜形成装置、薄膜形成方法、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

従来、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は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）と、加圧室内のインクを加圧する構成とを備え、インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させている。インクを加圧する構成としては、電気−機械変換素子（以下、圧電素子）、或いはヒータなどの電気熱変換素子、若しくはインク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなるエネルギー発生手段などである。

ここで、圧電素子を用いた液滴吐出ヘッドの構成を例示する。図１４は、液滴吐出ヘッド４００の構成を例示する断面図である。図１４に示すように、液滴吐出ヘッド４００は、ノズル板４１０、圧力室基板４２０（Ｓｉ基板）、振動板４３０により圧力室４２１を形成している。ノズル板４１０には圧力室４２１と連通するノズル４１１が設けられ、振動板４３０には密着層４４１を介して圧電素子４４０が設けられている。液滴吐出ヘッド４００は、圧電素子４４０により振動板４３０を振動させて圧力室４２１を加圧することで、ノズル板４１０のノズル４１１からインク滴を吐出する構成である。インクジェット記録装置は、画素対応の液滴吐出ヘッド４００が所定の間隔で並べられた記録ヘッドにより、用紙などの記録媒体に画像形成を行う。

液滴吐出ヘッド４００の主要部である圧電素子４４０は、密着層４４１上に下部電極４４２、電気−機械変換膜４４３及び上部電極４４４を薄膜形成により積層してなる。下部電極４４２、上部電極４４４は、電気−機械変換膜４４３に電気的入力を行う電極である。電気−機械変換膜４４３は、下部電極４４２、上部電極４４４による電気的入力を機械的な変形に変換する。具体的には、電気−機械変換膜４４３は、チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate,PZT）セラミックスなどが用いられ、これらは複数の金属酸化物を主成分としているので一般に金属複合酸化物と称される。

従来の圧電素子４４０の形成方法は次のとおりである。先ず、下部電極４４２上に各種の真空成膜法（例えばスパッタリング法、ＭＯ−ＣＶＤ法（金属有機化合物を用いた化学的気相成長法）、真空蒸着法、イオンプレーティング法）やゾルゲル法、水熱合成法、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、塗布・熱分解法（ＭＯＤ）などの周知の成膜技術により堆積させ、引き続き、上部電極４４４を形成した後、フォトリソグラフィー・エッチングにより、上部電極４４４のパターニングを行い、同様に電気−機械変換膜４４３、下部電極４４２のパターニングを行い個別化を実施している。

金属複合酸化物、特にＰＺＴのドライエッチングは容易な加工材ではない。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でＳｉ半導体デバイスは容易にエッチング加工できるが、この種の材料はイオン種のプラズマエネルギーを高める為、ＩＣＰプラズマ、ＥＣＲプラズマ、ヘリコンプラズマを併用した特殊なＲＩＥが成される（これは製造装置のコスト高を招く）。また下地電極膜との選択比は稼げない、特に大面積基板ではエッチング速度の不均一性は致命的である。あらかじめ、所望する部位のみに難エッチング性のＰＺＴ膜を配置すれば、上記加工工程が省略できるが、その試みは一部を除いて成されていない。ＰＺＴ膜を個別に生成する方法としては、水熱合成法、真空蒸着法、ＡＤ法、インクジェット法がある。

水熱合成法：Ｔｉ金属上にＰＺＴが選択成長する。Ｔｉ電極をパターニングしておけば、その部位のみにＰＺＴ膜が成長する。この方法で十分な耐圧を有するＰＺＴ膜を得るには、膜厚が５μｍ以上の比較的厚い膜が好ましい（これ以下の膜厚では、電界印加で容易に絶縁破壊してしまう、所望する任意の薄膜が得られない）。またＳｉ基板上に素子を形成する場合、水熱合成が強アルカリ性の水溶液下で合成されるため、Ｓｉ基板の保護が必須となる。

真空蒸着法：有機ＥＬの製造にシャドウマスクが用いられ、発光層のパターニングが成されているが、ＰＺＴ（成）膜は基板温度５００〜６００℃にした状態で実行される。これは圧電性出現の為には複合酸化物が結晶化している必要があり、その結晶化膜を得るのに上記基板温度が必須となる。一般的なシャドウマスクはステンレス製であり、Ｓｉ基板とステンレス材の熱膨張差から、十分なマスキングが出来ない、使い捨てシャドウマスクは実現性が低い。特にＭＯ−ＣＶＤ法やスパッタリング法では堆積膜の回り込み現象が大きく、さらに不向きである。

ＡＤ法：あらかじめフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、レジストの無い部位にＰＺＴを成膜する方法が知られている。ＡＤ法は先述の水熱合成法と同様に厚膜に有利であり、５ｕｍ以下の薄膜には不向きである。また、レジスト膜上にもＰＺＴ膜が堆積するので、研磨処理により一部の堆積膜を除去した後、リフトオフ工程を行う。大面積の均一研磨工程も煩雑、さらにレジスト膜は耐熱性が無い為、室温でＡＤ成膜を実行し、ポストアニール処理を経て、圧電性を示す膜に変換している。

インクジェット法：液滴吐出により金属配線パターンを形成した後、レーザを用いて乾燥及び焼成を行うプロセスであるインクジェット法に関する従来技術としては、特許文献１〜４、非特許文献１及び非特許文献２が知られている。特許文献１には、インクジェット機構とレーザ照射機構を併せ持つ薄膜生成装置で、液滴をワークに吐出する描画系と、吐出された液滴とレーザスポットの位置合わせを正確かつ迅速にすることが記載されている。特許文献２には、吐出した機能材料を含む液滴に、レーザ光を精度よく照射し、効率のよい乾燥・焼成を行うことが記載されている。特許文献３には、液滴からの蒸発成分を液滴の流動性に対応した吸引速度で吸引することで、パターンの形成制御性を向上させることが記載されている。特許文献４には、レーザ光の照射口に開閉機構を設けてレーザ光を照射しない場合は閉じるようにすることで、レーザの光学特性を維持することが記載されている。非特許文献１には、ゾルゲル法による金属複合酸化物の薄膜形成に関する技術が紹介されている。非特許文献２には、Ａｕ膜上にアルカンチオールが自己組織化単分子膜（SAM:Self-Assembled Monolayer）として形成できること、この現象を用いたマイクロコンタクトプリント法でＳＡＭパターンを転写し、その後のエッチングなどのプロセスに利用することが記載されている。

しかしながら、上述した従来のインクジェット法では、過度なレーザ照射によるクラックやアブレーションにより特性劣化が生じることがわかった。この特性劣化が生じた圧電素子を用いる液滴吐出ヘッドやインクジェット記録装置では画像品質が低減することとなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クラックやアブレーションにより劣化が生じることを低減させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一側面は、インクジェット法により基板上に薄膜形成を行う薄膜形成装置であって、基板上の所定の領域に薄膜形成にかかるインク滴を塗布するインク塗布手段と、前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面の裏面に、前記領域よりも照射範囲を大きくしたレーザ光を照射する第１のレーザ光照射手段と、前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面に、前記領域に対応した範囲にレーザ光を照射する第２のレーザ光照射手段と、を備え、前記第１のレーザ光照射手段及び前記第２のレーザ光照射手段により照射されるレーザ光で前記インク滴を加熱して薄膜形成を行うこと、を特徴とする。

また、本発明の他の側面は、インクジェット法により基板上に薄膜形成を行う薄膜形成方法であって、基板上の所定の領域に薄膜形成にかかるインク滴を塗布するインク塗布工程と、前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面の裏面に、前記領域よりも照射範囲を大きくしたレーザ光を照射し、前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面に、前記領域に対応した範囲にレーザ光を照射して前記インク滴を加熱して焼成させる焼成工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、クラックやアブレーションにより劣化が生じることを低減させることを可能とする、という効果を奏する。

図１−１は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図１−２は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図１−３は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図１−４は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図２−１は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図２−２は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図２−３は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図２−４は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図３−１は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図３−２は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図３−３は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図３−４は、ＳＡＭ膜のパターニング工程の一工程を示す模式図である。 図４−１は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図４−２は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図４−３は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図４−４は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図４−５は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図４−６は、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布する一工程を示す模式図である。 図５は、本実施形態にかかる薄膜形成装置の斜視図である。 図６は、薄膜形成装置のレーザ照射機構を説明する概念図である。 図７は、レーザ照射機構の変形例を説明する概念図である。 図８は、ＳＡＭ膜形成部位における水の接触角の測定写真図である。 図９は、ＳＡＭ膜除去部位における水の接触角の測定写真図である。 図１０は、本実施形態の薄膜形成で作成した圧電素子のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示すグラフである。 図１１は、本実施形態にかかる薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 図１２は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の斜視説明図である。 図１３は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の機構部分の側面説明図である。 図１４は、液滴吐出ヘッドの構成を例示する断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる薄膜形成方法、薄膜形成装置、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置の一実施形態を詳細に説明する。

インクジェット記録装置には、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。このために、インクジェット記録装置は、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広く用いられている。インクジェット記録装置に使用される液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）と、加圧室内のインクを加圧する構成とを備え、インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させている。インクを加圧する構成としては、圧電素子を用いて加圧室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型の構成、加圧室内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のものなどがある。

更にピエゾ型のものにはｄ３３方向の変形を利用した縦振動型、ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。また、最近では半導体プロセスやＭＥＭＳの進歩により、Ｓｉ基板に直接液室及びピエゾ素子を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。

以下の実施形態では、ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型の圧電素子を例に、薄膜形成方法、薄膜形成装置、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置を説明する。

＜ゾルゲル法による圧電体層の形成＞
圧電体層がＰＺＴの場合は、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし（非特許文献１参照）、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得る。この均一溶媒をＰＺＴ前駆体溶液と呼ぶ。

ＰＺＴとはジルコン酸鉛(ＰｂＺｒＯ_３)とチタン酸鉛(ＰｂＴｉＯ_３)の固溶体であり、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、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７）Ｏ_３、一般にＰＺＴ（５３／４７）と示される。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物の出発材料は、この化学式に従って秤量される。

金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定剤を適量、添加しても良い。

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、この場合はバリウムアルコキシド、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。

下地となる基板全面にＰＺＴ膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施す。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。

液滴吐出ヘッドの圧電素子として用いる場合、このＰＺＴ膜の膜厚は１μｍ〜２μｍが要求される。前述の方法でこの膜厚を得るには十数回、工程を繰り返す。

ゾルゲル法によるパターン化した圧電体層の形成の場合には、下地となる基板の濡れ性を制御したＰＺＴ前駆体溶液の塗り分けをする。

（非特許文献２に示されているアルカンチオールの特定金属上に自己配列する現象）
・白金族金属にチオールはＳＡＭ膜形成する。
・下部電極にＰｔを用い、その全面にＳＡＭ処理を行う。
・ＳＡＭ膜上はアルキル基が配置しているので、疎水性になる。
・周知のフォトリソグラフィー・エッチングにより、このＳＡＭ膜をパターニングする。
・レジスト剥離後も、パターン化ＳＡＭ膜は残っているので、この部位は疎水性である。
・ＳＡＭ除去した部位は白金表面なので親水性である。
・この表面エネルギーのコントラストを利用してＰＺＴ前駆体溶液の塗り分けをする。
・コントラストの程度にもよるが、ＰＺＴ前駆体溶液はスピンコート法で全面塗布してもパターン状に塗り分けられる場合もある。
・なお、ドクターブレード塗工でも良い。
・また、ディップコートでもよい。
・ＰＺＴ前駆体溶液の消費量を低減したい場合はインクジェット塗工でも良い。
・同様に凸版印刷でも可能である。

図１−１〜図３−４を参照して、３種類の方法（図１−１〜図１−４、図２−１〜図２−４、図３−１〜図３−４）でアルカンチオールのＳＡＭ膜をパターニングする工程を示す。図１−１、図２−１、図３−１に示す、パターニングを開始する基板１の最表面は、言うまでもなくチオールとの反応性に優れた白金として説明する。

アルカンチオールは分子鎖長により反応性や疎水（撥水）性が異なるものの、Ｃ_６からＣ_１８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）に溶解させる（濃度数モル／ｌ）。この溶液中に基板１を浸漬させ、所定時間後に取り出した後、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥することで白金表面にＳＡＭ膜２を形成できる（図１−２、図３−２）。

図１−１〜図１−４の方法では、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト３をパターン形成し（図１−３）、ドライエッチングによってフォトレジスト３でマスクされていないＳＡＭ膜２を除去し、加工に用いたフォトレジスト３を除去してＳＡＭ膜２のパターニングを終える（図１−４）。

図２−１〜図２−４の方法では、先にフォトレジスト３を形成し（図２−２）、次いでＳＡＭ処理を行う。ＳＡＭ処理後の状態において、フォトレジスト３上にはＳＡＭ膜２は形成されない（図２−３）。次いで、フォトレジスト３を除去することで、ＳＡＭ膜２のパターニングを終える（図２−４）。

図３−１〜図３−４の方法では、先ず、図１−１〜図１−４で例示した方法と同じ工程を経てＳＡＭ膜２を形成する（図３−２）。次いで、フォトマスク４を介して紫外線を照射し、露光を行う（図３−３）。この露光により、未露光部分にはＳＡＭ膜２が残り、露光部分のＳＡＭ膜２が消失する（図３−４）。

次いで、インクジェット法でＰＺＴ前駆体を繰り返して塗布して薄膜形成を行う（図４−１〜図４−６）。図４−１に示すように、ＳＡＭ膜２の表面は疎水部分であり、ＳＡＭ膜２で覆われていない基板１の表面は親水部分である。

先ず、インクジェット法により、第１のパターン化ＰＺＴ前駆体塗膜５を形成する（図４−２）。次いで、通常のゾルゲルプロセスに従って熱処理を行う。前駆体熱処理温度は有機物の燃焼温度：５００℃、ＰＺＴ結晶化温度：７００℃などの高温処理によりＳＡＭ膜２が消失し、ＰＺＴ膜６が焼成される（図４−３）。

２回目以降の工程は以下の理由から簡便化できる（図４−４〜図４−６参照）。
・ＳＡＭ膜２は酸化物薄膜上には形成できない。よって、１回目の処理の後は、ＰＺＴ膜６が無く、露出している基板１上のみにＳＡＭ膜２が形成される。
・本実施形態では、この自己組織化現象を用いる。従来のＳＡＭ膜２のパターン化とこれを利用した機能性色材（カラーフィルター、ポリマー有機ＥＬ、ナノメタル配線）のパターニングは１回のＳＡＭ処理と引き続き行われる機能性色材の配置で完了していたが、ゾルゲル法では一度に成膜出来る膜厚が少ないので、複数回繰り返す必要がある。毎回、フォトリソグラフィー・エッチングによるパターン化ＳＡＭ膜形成は工程が煩雑になる。本実施形態は、特にＳＡＭ膜が形成できない酸化物薄膜と、圧電素子として下部電極が構成要素であり、その下部電極にＳＡＭ膜が形成可能な組合せで初めて実現できるものである。
・１回目のパターン形成した基板１にＳＡＭ処理を行った後（図４−４）、ＰＺＴ前駆体溶液の塗り分け塗工を行い（図４−５）、熱処理を施す（図４−６）。
・所望の膜厚になるまでこの工程を繰り返す。
・この方法によるパターン化は、セラミックス膜厚が５μｍの厚さまで形成できる。

下部電極として用いられる材料は耐熱性かつアルカンチオールとの反応によりＳＡＭ膜を形成する金属が選ばれる。銅や銀はＳＡＭ膜を形成するが大気下中、５００℃以上の熱処理により変質してしまうので用いることは出来ない。さらに金は両条件を満たすものの、積層するＰＺＴ膜の結晶化に不利に働くので使えない。白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、の単金属や白金-ロジウムなどの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料も有効である。

シリコン基板上に配置する振動板は厚さ数ミクロンでシリコン酸化膜や窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、およびこれら各膜を積層した膜でも良い。また熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜などのセラミック膜でも良い。これら材料は絶縁体である。

下部電極は圧電素子に信号入力する際の共通電極として電気的接続をするので、その下にある振動板は絶縁体か、もしくは導体であれば絶縁処理を施して用いることになる。

シリコン系絶縁膜は熱酸化膜、ＣＶＤ堆積膜を用い、金属酸化膜はスパッタリング法で成膜することが出来る。

これら振動板上に白金族下部電極を配置する場合、膜密着力を強めるための密着層が必要となる（図１４参照）。密着層として可能な材料はチタン、タンタル、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタルやこれら積層膜が有効である。

次に、上述したインクジェット法を実施する薄膜形成装置について説明する。図５は、本実施形態にかかる薄膜形成装置２０の斜視図である。

図５に示すように、薄膜形成装置２０において、架台２００上にはＹ軸駆動手段２０１が設置されている。このＹ軸駆動手段２０１により、基板２０２を搭載するステージ２０３はＹ−Ｙ’方向に駆動される。なお、ステージ２０３は、真空や静電気などによって基板２０２をステージ２０３に固定するための吸着手段（図示しない）を備える。基板２０２は、この吸着手段によってステージ２０３で固定されている。なお、第１のレーザヘッド２１３により基板２０２の裏面側へレーザ光を照射するため（詳細は後述する）、ステージ２０３は、開口部分に基板２０２を嵌め込んで基板２０２を支える構成となっている。

また、架台２００上にはＸ軸支持部材２０４がＹ軸駆動手段２０１によりＹ−Ｙ’方向に駆動されるステージ２０３を跨ぐように設置されている。Ｘ軸支持部材２０４には、Ｘ軸駆動手段２０５が取り付けられている。Ｘ軸駆動手段２０５にはＺ軸駆動手段２１１に搭載されたヘッドスペース２０６が取り付けられている。このため、ヘッドスペース２０６は、ステージ２０３上においてＸ−Ｘ’方向及びＺ−Ｚ’方向に駆動される。ヘッドスペース２０６には、ステージ２０３に固定された基板２０２上にインク滴を吐出させるＩＪヘッド２０８（ＩＪ；インクジェット）と、アライメント用カメラ２１５と、第２のレーザヘッド２１７とが搭載されている。ＩＪヘッド２０８にはインク供給用パイプ２１０が接続されている。ＩＪヘッド２０８には、図示しないインクタンクからインク供給用パイプ２１０を介して機能性材料インク（ＰＺＴ前駆体溶液など）が供給される。これにより、ＩＪヘッド２０８は、ステージ２０３に設置された基板２０２の表面にＰＺＴ前駆体液などのインク滴を吐出させる。また、架台２００上にはＩＪヘッド２０８の洗浄を行うためのヘッド洗浄機構２１２が設置されている。

アライメント用カメラ２１５は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどのデジタルカメラであり、Ｙ軸駆動手段２０１、Ｘ軸駆動手段２０５、Ｚ軸駆動手段２１１などの駆動を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）等の制御装置に接続されている。薄膜形成装置２０では、アライメント用カメラ２１５によりステージ２０３に設置された基板２０２の表面を撮像し、その撮像画像をもとに制御装置が駆動を制御することで、基板２０２の表面に対するＩＪヘッド２０８のアライメントを行う。また、基板２０２に照射されるレーザ光を撮像し、その撮像画像をもとに制御装置が駆動を制御することで、そのレーザ光とＩＪヘッド２０８により基板２０２上に吐出されたインク滴とのアライメントを行う。なお、アライメント用カメラ２１５は複数のカメラを備える構成であってもよい。すなわち、ＩＪヘッド２０８のアライメントと、レーザ光とインク滴のアライメントとを行うカメラを別々とした構成であってもよい。例えば、レーザ光を撮像するためのアライメント用カメラ２１５をステージ２０３側に設置し、基板２０２の裏側からの撮像を行ってもよい。アライメント用カメラ２１５を基板２０２の上部に設置する構成では、レーザ光の照射が基板２０２の裏面に行われることから、赤外線カメラ等での熱検知によるアライメントを行う。

第２のレーザヘッド２１７は、ステージ２０３に設置された基板２０２の表面にレーザ光を照射して、基板２０２上に吐出されたインク滴を加熱する。第２のレーザヘッド２１７はヘッドスペース２０６に設置されていることから、第２のレーザヘッド２１７とＩＪヘッド２０８とは、ステージ２０３に設置された基板２０２に対するＹ−Ｙ’方向及びＸ−Ｘ’方向における動きが同期したものとなる。すなわち、第２のレーザヘッド２１７によるレーザ光の走査位置とＩＪヘッド２０８によるインク滴の吐出位置とは連動する。なお、第２のレーザヘッド２１７はヘッドスペース２０６に設置されている必要はなく、第２のレーザヘッド２１７によるレーザ光の走査位置とＩＪヘッド２０８によるインク滴の吐出位置とが連動できればよい。

ヘッドスペース２０６のＹ−Ｙ’方向反対側には、第１のレーザヘッド２１３を備え、Ｚ軸駆動手段２１１と連動して駆動するレーザ用Ｚ軸駆動手段２１４が配されている。レーザ用Ｚ軸駆動手段２１４は、Ｘ軸駆動手段２０５に取り付けられており、Ｘ−Ｘ’方向の動きをヘッドスペース２０６と共有する。したがって、ヘッドスペース２０６と第１のレーザヘッド２１３とは、ステージ２０３に設置された基板２０２に対するＹ−Ｙ’方向及びＸ−Ｘ’方向における動きが同期したものとなる。架台２００上の、Ｘ−Ｘ’方向に駆動する第１のレーザヘッド２１３の真下には、反射板２１６が設置されている。反射板２１６は、第１のレーザヘッド２１３が照射するレーザ光を反射して基板２０２の真下まで導く。

図６は、薄膜形成装置２０のレーザ照射機構を説明する概念図である。図６に示すように、第１のレーザヘッド２１３からは下方に第１のレーザ光Ｌ１が照射される。照射された第１のレーザ光Ｌ１は、反射板２１６によって基板２０２と略平行に反射され、ステージ２０３の下、すなわち基板２０２の下へ導かれる。ステージ２０３の下には、前述した制御装置で制御される駆動機構（図示しない）によって、Ｙ−Ｙ’方向に駆動される反射板３０１が設置されている。反射板３０１は、基板２０２の下に導かれた第１のレーザ光Ｌ１を反射し、基板２０２の裏面へ照射する。

このとき、第１のレーザ光Ｌ１は、目的とするパターン（インク滴Ｉのパターン）よりも大きな完全に絞られていない状態（デフォーカス状態）で照射される。このデフォーカス状態は、反射板３０１の反射面や第１のレーザヘッド２１３に取り付けられた光学レンズなどを予め調整することで実現される。
制御装置の制御のもと、反射板３０１がＹ−Ｙ’方向に駆動されることで、第１のレーザ光Ｌ１が基板２０２の裏面へ照射されるタイミングは任意に制御される。すなわち、ＩＪヘッド２０８が吐出して基板２０２の表面に付着したインク滴Ｉを、その裏面側から第１のレーザ光Ｌ１で乾燥・焼成するタイミングは、任意に制御されてよい。

このとき、第１のレーザヘッド２１３は多チャンネルのものでも、単一口のものでも構わないが、多チャンネルのものが好ましい。レーザの波長は赤外線の領域もしくは紫外線の領域が好ましく、基板２０２もしくは基板２０２上に成膜された層の吸収係数の高い波長であれば尚好ましい。

そして、第１のレーザヘッド２１３による第１のレーザ光Ｌ１と同時もしくは時間をずらして第２のレーザヘッド２１７による第２のレーザ光Ｌ２を基板２０２の表面に付着したインク滴Ｉに照射する。この第２のレーザ光Ｌ２は、インク滴Ｉのパターンに合わせて光線の形状を調整する、又はインク滴Ｉのパターンに合わせて走査するなどして、目的とするパターンに合わせた照射が行われる。

このように、乾燥・焼成するインク滴Ｉのパターンよりも照射範囲の大きなデフォーカス状態で第１のレーザ光Ｌ１を基板２０２の裏面から照射し、第２のレーザ光Ｌ２をインク滴Ｉのパターンに合わせて照射することで、パターン周辺にエネルギーを常時供給することができ、パターン周辺の熱伝導等による基板２０２の熱散逸を抑え、安定した熱量供給を行うことができる。また、過度なレーザ照射によるクラックやアブレーションを抑えることができ、スムーズでダメージレスな乾燥・焼成プロセスを実現できる。

＜レーザ照射機構の変形例＞
なお、上述した実施形態におけるレーザ照射機構については、第１のレーザ光Ｌ１を基板２０２の裏面へ照射するものであればいずれであってもよい。図７は、レーザ照射機構の変形例を説明する概念図である。図７に示すように、第１のレーザヘッド２１３は、ＩＪヘッド２０８とは別位置に固定されており、ＩＪヘッド２０８と連動して移動しなくてもよい。第１のレーザヘッド２１３から照射された第１のレーザ光Ｌ１は、ポリゴンミラー３０２によって走査され、レンズ３０３によって平行光にされた後、反射板３０１によって基板２０２の裏面へ照射される。このような変形例であっても、基板２０２の裏面へ第１のレーザ光Ｌ１を照射することには変わりなく、図６の例と同等の効果を得ることができる。

次に、上述した薄膜形成装置２０を用いた薄膜形成を説明する。この薄膜形成では、シリコンウェハに熱酸化膜（膜厚１ミクロン）を形成し、密着層としてチタン膜（膜厚５０ｎｍ）をスパッタ成膜した。引続き下部電極として白金膜（膜厚２００ｎｍ）をスパッタ成膜した。次いで、アルカンチオールにＣＨ_３（ＣＨ_２）_６−ＳＨを用い、濃度０．０１モル／ｌ（溶媒：イソプロピルアルコール）溶液に浸漬させ、ＳＡＭ処理を行った。その後、イソプロピルアルコールで洗浄・乾燥後、パターニングの工程に移る。

ＳＡＭ処理後の疎水性は接触角測定を行い、ＳＡＭ膜上での水の接触角は９２．２°であった（図８参照）。一方、ＳＡＭ処理前の白金スパッタ膜のそれは５°以下（完全濡れ）であり、ＳＡＭ膜処理がなされたことがわかる。

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、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、同様の接触角評価を行ったところ、除去部では５°以下（完全濡れ、図９参照）、レジストでカバーされていた部位のそれは９２．４°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。

他方式のパターニングとして、同様のレジストワークによりあらかじめレジストパターンを形成し、同様のＳＡＭ膜処理を実施後、アセトンにてレジストを除去し、接触角を測定した。レジストカバーされた白金膜上の接触角は５°以下（完全濡れ）、他の部位のそれは９２．０°となり、ＳＡＭ膜のパターン化がなされたことを確認した。

もうひとつの他方式として、シャドウマスクを用いた紫外線照射を行った。用いた紫外線はエキシマランプによる波長１７６ｎｍの真空紫外光を１０分間照射した。照射部の接触角は５°以下（完全濡れ）、未照射部のそれは９２．２°でありＳＡＭ膜のパターン化がなされたことを確認した。

圧電層としてＰＺＴ（５３／４７）を成膜する。前駆体塗布液の合成は、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。化学両論組成に対し鉛量を１０モル％過剰にしてある。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／ｌにした。

一度のゾルゲル成膜で得られる膜厚は１００ｎｍが好ましく、前駆体濃度は成膜面積と前駆体塗布量の関係から適正化される（従って０．１モル／ｌに限定されるものではない）。

この前駆体溶液を先のパターン化ＳＡＭ膜上にインクジェット法で塗布した（図４−２参照）。インクジェット法によりＳＡＭ膜上には液滴を吐出せず親水部のみ吐出することで接触角のコントラストにより親水部上にのみ塗膜ができた。この塗膜に際して、裏面よりレーザー照射を行うことで基板を加熱しパターニングされた前駆体インクの乾燥、結晶化（焼成）を行った（図４−３参照）。

インクジェット法により、繰り返し同じ場所に液滴を吐出、レーザー照射することで重ね塗りを行うことができた（図４−４〜図４−６参照）。

先記工程を１５回繰り返し５００ｎｍの膜を得た。このとき作製された膜にはクラックなどの不良は生じなかった。さらに１５回のＰＺＴ前駆体の選択塗布とレーザー照射とを行い、結晶化処理をした。膜にクラックなどの不良は生じなかった。膜厚は１０００ｎｍに達した。

このパターン化膜に上部電極（白金）を成膜し電気特性、電気−機械変換能（圧電定数）の評価を行った。図１０は、本実施形態の薄膜形成で作成した圧電素子のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示すグラフである。膜の比誘電率は１２２０、誘電損失は０．０２、残留分極は１９．３ｕＣ／ｃｍ^２、抗電界は３６．５ｋＶ／ｃｍであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を持つことがわかった。

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。その圧電定数ｄ３１は、−１２０ｐｍ／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。これは液滴吐出ヘッドとして十分設計できうる特性値である。

なお、電極膜として白金やＳｒＲｕＯ_３やＬａＮｉＯ_３などの酸化物を溶媒に溶かし、インクジェット法で塗布、レーザー照射することで圧電体層と同様に電極膜も形成することができる。

図１１は、本実施形態にかかる薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッド４０の構成を示す断面図である。図１１に示すように、液滴吐出ヘッド４０は、一つが一画素分のインク滴を吐出するものとして、所定の間隔で並べて形成される。本実施形態では、図中の圧電素子４４０が簡便な製造工程で（かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ）形成でき、その後の圧力室４２１のための裏面からのエッチング除去、ノズル４１１を有するノズル板４１０を接合することで液滴吐出ヘッド４０ができる。なお、図１１では、圧力室４２１へインク液を供給するための供給手段、流路、流体抵抗についての記述は省略している。

次に、上述した液滴吐出ヘッド４０を搭載したインクジェット記録装置の一例について図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の斜視説明図である。図１３は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の機構部分の側面説明図である。

図１２、１３に示すように、インクジェット記録装置５０は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジ９３に搭載し、上述した薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド９４、記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納する。記録装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット８４（或いは給紙トレイでもよい）を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。

印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する、上述した薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ９３には記録ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド９４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッド９４としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３を記録ヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。

記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。

また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（図示しない）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

上述したインクジェット記録装置５０においては、前述した薄膜形成で形成した液滴吐出ヘッドを用いた記録ヘッド９４を搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。

１ 基板
２ ＳＡＭ膜
５ 第１のパターン化ＰＺＴ前駆体塗膜
６ ＰＺＴ膜
２０ 薄膜形成装置
４０ 液滴吐出ヘッド
５０ インクジェット記録装置
９４ 記録ヘッド
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 ヘッドスペース
２０８ ＩＪヘッド
２１１ Ｚ軸駆動手段
２１３ 第１のレーザヘッド
２１５ アライメント用カメラ
２１６ 反射板
２１７ 第２のレーザヘッド
３０１ 反射板
３０２ ポリゴンミラー
３０３ レンズ
４００ 液滴吐出ヘッド
４４０ 圧電素子
Ｉ インク滴
Ｌ１ 第１のレーザ光
Ｌ２ 第２のレーザ光

特許第４３５３１４５号公報 特許第４２３２７５３号公報 特開２００７−１５２２５０号公報 特開２００７−１０５６６１号公報

K. D. Budd, S. K. Dey, D. A. Payne, Proc. Brit. Ceram. Soc. 36, 107 (1985) A. Kumar and G. M. Whitesides, Appl.Phys.Lett., 63, 2002 (1993)

Claims (10)

1. インクジェット法により基板上に薄膜形成を行う薄膜形成装置であって、
   基板上の所定の領域に薄膜形成にかかるインク滴を塗布するインク塗布手段と、
   前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面の裏面に、前記領域よりも照射範囲を大きくしたレーザ光を照射する第１のレーザ光照射手段と、
   前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面に、前記領域に対応した範囲にレーザ光を照射する第２のレーザ光照射手段と、
   を備え、
   前記第１のレーザ光照射手段及び前記第２のレーザ光照射手段により照射されるレーザ光で前記インク滴を加熱して薄膜形成を行うこと、
   を特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記基板上を撮像する撮像手段を更に備え、
   前記撮像された画像をもとに、前記基板上に前記インク滴を塗布する位置のアライメントと、前記インク滴が塗布された領域と、前記第１のレーザ光照射手段及び前記第２のレーザ光照射手段により照射されるレーザ光とのアライメントを行うこと、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記薄膜形成にかかるインク滴は、セラミックスの前駆体溶液であること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記インク塗布手段は、前記基板上に撥液部と親液部のパターンを形成するための撥液性を有する自己組織化単分子膜材料を塗布し、
   前記第１のレーザ光照射手段及び前記第２のレーザ光照射手段により照射されるレーザ光で前記自己組織化単分子膜材料を除去することで撥液部と親液部のパターンを形成すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜形成装置。
5. 前記第１のレーザ光照射手段は、前記領域よりも照射範囲を大きくデフォーカス状態としたレーザ光を照射すること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜形成装置。
6. インクジェット法により基板上に薄膜形成を行う薄膜形成方法であって、
   基板上の所定の領域に薄膜形成にかかるインク滴を塗布するインク塗布工程と、
   インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面の裏面に、前記領域よりも照射範囲を大きくしたレーザ光を照射し、前記インク滴が塗布された領域に対応した位置の、当該インク滴が塗布された面に、前記領域に対応した範囲にレーザ光を照射して前記インク滴を加熱して焼成させる焼成工程と、
   を含むことを特徴とする薄膜形成方法。
7. 前記インク塗布工程は、撥液部と親液部のパターンを形成した基板上に前記インク滴を塗布すること、
   を特徴とする請求項６に記載の薄膜形成方法。
8. 前記インク塗布工程は、撥液部と親液部のパターンを形成した基板上に、撥液性を有する自己組織化単分子膜材料を塗布し、
   前記焼成工程は、レーザ光の照射により前記自己組織化単分子膜材料を除去することで撥液部と親液部の領域を形成すること、
   を特徴とする請求項６又は７に記載の薄膜形成方法。
9. 請求項６に記載の薄膜形成方法で形成された圧電素子を用いたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。

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