JP2013184313A - Method of manufacturing liquid droplet ejection head, liquid droplet ejection head, and image forming apparatus - Google Patents

Method of manufacturing liquid droplet ejection head, liquid droplet ejection head, and image forming apparatus Download PDF

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昌弘 石杜
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隆彦 黒田
Satoshi Mizukami
智 水上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid droplet ejection head which can maintain ink ejection characteristics excellently, and obtain stable ink ejection characteristics even after continuously ejecting.SOLUTION: When a liquid droplet ejection head 300 is made, after a vibrating membrane 202 that contains at least one of a silicon oxide film and a silicon nitride film is formed by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) accumulation on a substrate 201, and a surface of the vibrating membrane 202 is polished by CMP (chemical mechanical polishing) using at least cerium oxide particles for abrasive particles so that a period of projections with the depth of 5 nm or more exceeds 150 nm. Then, after a lower electrode film 203 that contains a Pt group metal is formed, an electromechanical conversion film 204 such as PZT (lead titanate zirconate) and an upper electrode film 205 such as Pt are formed.

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドの製造方法、該製造方法で製造された液滴吐出ヘッド、及び該液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a droplet discharge head, a droplet discharge head manufactured by the manufacturing method, and an image forming apparatus including the droplet discharge head.

プリンター、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置には、画像形成のためにインク滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載しているものがある。液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、液滴となるインクを収容した加圧室と、この加圧室内のインクを加圧する駆動源となるエネルギー発生手段とを備える。なお、加圧室は、インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される。加圧室内のインクは、エネルギー発生手段で加圧され、ノズルからインク滴として吐出される。このエネルギー発生手段としては、圧電素子等の電気機械変換素子、ヒータ等の電気熱変換素子、またはインク流路の壁面を形成する振動板、及びこれに対向する電極からなる素子等が採用される。   Some image forming apparatuses such as printers, facsimiles, and copying machines are equipped with a droplet discharge head that discharges ink droplets for image formation. The droplet discharge head includes a nozzle that discharges ink droplets, a pressurizing chamber that stores ink that becomes droplets, and energy generation means that serves as a driving source that pressurizes the ink in the pressurizing chamber. The pressurizing chamber is also referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, a liquid chamber, and the like. The ink in the pressurizing chamber is pressurized by the energy generating means and ejected as ink droplets from the nozzle. As this energy generating means, an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element, an electrothermal conversion element such as a heater, or a vibration plate that forms the wall surface of an ink flow path, and an element that includes an electrode facing the vibration plate are employed. .

電気機械変換素子としては、電気機械変換素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードを使用したものと、たわみ振動モードを使用したものとの2種類が実用化されている。たわみ振動モードを使用した電気機械変換素子として、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な電気機械変換素子層(圧電材料層:圧電材料膜)を形成したものが知られている。電気機械変換素子を作製するには、この圧電材料膜をリソグラフィー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して配置する。
このようなたわみモードを使用した電気機械変換素子では、圧電材料層の自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、大きな圧電定数が得られる。従って、圧電材料層の自発分極軸と電界印加方向とが完全に一致することが最も好ましい。また、インク吐出量のばらつき等を抑制するには、圧電材料層の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましい。これらの点を考慮すれば、圧電材料層は結晶配向性に優れたものとする必要がある。
Two types of electromechanical transducers have been put into practical use, one using a longitudinal vibration mode that extends and contracts in the axial direction of the electromechanical transducer and one using a flexural vibration mode. As an electromechanical conversion element using the flexural vibration mode, an element in which a uniform electromechanical conversion element layer (piezoelectric material layer: piezoelectric material film) is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique is known. In order to fabricate the electromechanical transducer, the piezoelectric material film is cut into a shape corresponding to the pressure generation chamber by a lithography method and disposed independently in each pressure generation chamber.
In an electromechanical conversion element using such a flexure mode, when the vector component of the spontaneous polarization axis of the piezoelectric material layer matches the electric field application direction, the expansion and contraction accompanying the increase / decrease in the electric field application intensity occurs effectively, A piezoelectric constant is obtained. Therefore, it is most preferable that the spontaneous polarization axis of the piezoelectric material layer completely coincides with the electric field application direction. In addition, in order to suppress variations in the ink discharge amount, it is preferable that the in-plane variation in the piezoelectric performance of the piezoelectric material layer is small. Considering these points, the piezoelectric material layer needs to have excellent crystal orientation.

特許文献1には、表面にTiが島状に析出したTi含有貴金属電極上に圧電膜を成膜することで、結晶配向性に優れた圧電膜を成膜できることが記載されている。
また、特許文献2には、基板としてMgO基板を用いることで、結晶配向性に優れた圧電膜を成膜できることが記載されている。
また、特許文献3には、アモルファス強誘電体膜を成膜し、その後、急速加熱法によって該膜を結晶化させる強誘電体膜の製造方法が記載されている。
さらに、特許文献4には、前記成膜工程においては、正方晶系、斜方晶系、及び菱面体晶系のうちいずれかの結晶構造を有するペロブスカイト型複合酸化物(不可避不純物を含んでいても良い)からなり、(100)面、(001)面、及び(111)面のうちいずれかの面に優先配向し、配向度が95%以上である前記圧電膜を成膜する圧電膜の製造方法について記載されている。
上述した振動板については、性能向上のため従来様々の検討がなされており、金属酸化膜(例えば特許文献5参照)や、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜(例えば特許文献6参照)などを形成する試みがなされている。
Patent Document 1 describes that a piezoelectric film having excellent crystal orientation can be formed by forming a piezoelectric film on a Ti-containing noble metal electrode on which Ti is deposited in an island shape.
Patent Document 2 describes that a piezoelectric film having excellent crystal orientation can be formed by using an MgO substrate as a substrate.
Patent Document 3 describes a method of manufacturing a ferroelectric film in which an amorphous ferroelectric film is formed and then the film is crystallized by a rapid heating method.
Further, Patent Document 4 discloses that in the film forming step, a perovskite complex oxide (including inevitable impurities) having any crystal structure of tetragonal, orthorhombic, and rhombohedral. Of the piezoelectric film which is preferentially oriented to any one of the (100) plane, the (001) plane, and the (111) plane, and the degree of orientation is 95% or more. A manufacturing method is described.
Various studies have been made on the above-described diaphragm to improve performance. A metal oxide film (see, for example, Patent Document 5), a polysilicon film, a silicon oxide film, and a silicon nitride film (see, for example, Patent Document 6). Attempts have been made to form such as.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、インク吐出特性を良好に保持できるとともに、連続吐出しても安定したインク吐出特性を得ることができる液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド、及び画像形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a method for manufacturing a droplet discharge head capable of maintaining good ink discharge characteristics and obtaining stable ink discharge characteristics even when continuously discharged. An object is to provide an ejection head and an image forming apparatus.

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、少なくとも、CVD積層した振動層と、該振動膜上に形成したPt族金属を含む一対の電極層と、該電極膜で挟んで形成した電気機械変換層と、を備える液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記振動層を形成した後、前記電極層の形成前に前記振動膜の表面をCMP研磨することを特徴とする。   The method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes at least an oscillation layer formed by CVD, a pair of electrode layers containing a Pt group metal formed on the oscillation film, and an electric machine formed by sandwiching the electrode film In a method for manufacturing a droplet discharge head including a conversion layer, the surface of the vibration film is subjected to CMP polishing after the vibration layer is formed and before the electrode layer is formed.

本発明によれば、結晶配向性の優れた電極層と電気機械変換層とを作製でき、良好なインク吐出特性と、安定したインク連続吐出特性を備える液滴吐出ヘッド得ることができる。   According to the present invention, an electrode layer having excellent crystal orientation and an electromechanical conversion layer can be produced, and a droplet discharge head having good ink discharge characteristics and stable ink continuous discharge characteristics can be obtained.

実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。2 is a cross-sectional view of a droplet discharge head according to Embodiment 1. FIG. 図1中のA部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the A section in FIG. 実施形態1に係る液滴吐出ヘッドのCVD積層膜と熱酸化膜上のPtのX線回折結果であり、(a)はθ−2θを振った場合のPt(111)のピークを比較するグラフ、(b)はPt(111)のロッキングカーブを示すグラフである。FIG. 3 is an X-ray diffraction result of Pt on a CVD laminated film and a thermal oxide film of the droplet discharge head according to Embodiment 1, and (a) is a graph comparing Pt (111) peaks when θ-2θ is swung. (B) is a graph showing a rocking curve of Pt (111). 実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造方法におけるCMP処理後のCVD積層膜断面プロファイルを示すグラフである。6 is a graph showing a cross-sectional profile of a CVD laminated film after CMP processing in the method for manufacturing a droplet discharge head according to Embodiment 1. 同じくCMP処理なしのCVD積層膜断面プロファイルを示すグラフである。It is a graph which similarly shows the CVD laminated film cross-sectional profile without CMP process. CVD積層膜上のPt電極膜の断面を示す図であり、(a)はCVD積層膜上でCMP処理なしの場合のSEM像、(b)はCVD積層膜上でCMP処理ありの場合のSEM像である。It is a figure which shows the cross section of Pt electrode film on a CVD laminated film, (a) is a SEM image when CMP processing is not carried out on a CVD laminated film, (b) is SEM when CMP treatment is carried out on a CVD laminated film. It is a statue. 実施形態1に係る液滴吐出ヘッド列の積層断面図である。3 is a cross-sectional view of a droplet discharge head array according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る画像形成装置の斜視図である。5 is a perspective view of an image forming apparatus according to Embodiment 2. FIG. 同画像形成装置の断面図である。It is sectional drawing of the image forming apparatus.

本発明者は、LPCVD法で成膜された層で構成した振動板を備えた圧電素子では、振動板の表面粗さが、下部電極膜、電気機械変換膜の結晶配向に大きく影響して液滴吐出特性の優劣に影響を与え、このため振動板の表面粗さの制御が重要であるとの知見を得た。また、振動板の表面粗さを小さくすることで、電界集中が生じにくい電気機械振動膜とでき、耐圧性を上昇させることができ、電気機械変換膜の劣化を抑制することができるとの知見を得た。
具体的には、CVD積層膜の表面粗さが、単に小さければ良いというわけではなく、粗さ以外の別の要因があるとの知見を得た。すなわち、発明者が粗さの凸部の周期に着目し観察したところ、CVD積層膜の凸部の周期は、Ptが結晶化していく際のグレインサイズと近いことを見いだし、その凸部の周期にPt結晶性の劣化の要因があるとの知見を得たのである。
なお、熱酸化SiO膜とCVD積層膜の表面粗さによる結晶性の違いは後述する参考例1で示した。参考例の表1により、表面粗さは熱酸化SiO膜とCVD積層膜では大きな差はなく、同じ熱酸化SiO膜の表面粗さ違いよりも大きな差が結晶性の違いとして出ていることが分かる。なお、このような振動層の粗さについては、上述した従来技術では十分な検討がなされていない。
The present inventor has found that in a piezoelectric element having a diaphragm composed of layers formed by LPCVD, the surface roughness of the diaphragm greatly affects the crystal orientation of the lower electrode film and the electromechanical conversion film. It has been found that it has an influence on the superiority and inferiority of the droplet discharge characteristics, and that control of the surface roughness of the diaphragm is therefore important. In addition, by reducing the surface roughness of the diaphragm, it is possible to obtain an electromechanical vibration film that is less likely to cause electric field concentration, can increase the pressure resistance, and can suppress deterioration of the electromechanical conversion film. Got.
Specifically, it has been found that the surface roughness of the CVD laminated film is not merely small, but there is another factor other than the roughness. That is, when the inventors observed paying attention to the period of the convex part of roughness, the period of the convex part of the CVD laminated film was found to be close to the grain size when Pt was crystallized, and the period of the convex part was found. It has been found that there is a cause of deterioration of Pt crystallinity.
The difference in crystallinity depending on the surface roughness between the thermally oxidized SiO 2 film and the CVD laminated film is shown in Reference Example 1 described later. According to Table 1 of the reference example, the surface roughness is not significantly different between the thermally oxidized SiO 2 film and the CVD laminated film, and a difference larger than the difference in surface roughness of the same thermally oxidized SiO 2 film appears as a difference in crystallinity. I understand that. In addition, about the roughness of such a vibration layer, sufficient examination is not made | formed by the prior art mentioned above.

これらの知見により、振動板の表面粗さを小さくすることで、後工程の加工精度を上げることができ、ウエハー面内での均一性が良好で、各液体噴射ヘッドのインク吐出特性を均一にすることができることを見いだした。
また、LPCVD法で成膜された膜で構成された振動板においては、半導体、MEMSデバイスで一般的に従来適用されている膜である。このため、加工もしやすいことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、SOI等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板が得られ、高精度でばらつきの少ない液滴吐出ヘッドが実現できる。
Based on these findings, by reducing the surface roughness of the diaphragm, it is possible to improve the processing accuracy of the post-process, good uniformity within the wafer surface, and uniform ink ejection characteristics of each liquid ejecting head I found what I could do.
In addition, the diaphragm composed of a film formed by the LPCVD method is a film that has been conventionally applied to semiconductors and MEMS devices. For this reason, since it is easy to process, a stable diaphragm can be obtained without introducing new process problems and without using an expensive substrate such as SOI, and a liquid droplet ejection head with high accuracy and little variation can be realized.

ポリシリコン膜を含む振動板においては、ポリシリコンの結晶粒により、表面粗さが大きくなり、振動板の粗さを増大させている。また、アモルファス状のシリコン膜においては、表面粗さを低減することは可能である。しかし、結晶配向性に優れた圧電膜を形成するプロセスにおいては、焼成工程などの高温での熱処理が必要とされるため、シリコン膜の粗さ、応力などが変動し、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを実現することが難しい。また、圧電素子形成のプロセスを制限することとなり、場合によっては歩留まり、コストに影響を及ぼす可能性がある。このように、シリコン層の膜厚は、表面粗さに影響を与える。シリコン層を薄くすれば表面粗さを低減することはできるが、振動板の剛性を著しく小さくしてしまう。   In the diaphragm including the polysilicon film, the surface roughness is increased by the crystal grains of the polysilicon, and the roughness of the diaphragm is increased. In addition, it is possible to reduce the surface roughness of an amorphous silicon film. However, the process of forming a piezoelectric film with excellent crystal orientation requires heat treatment at a high temperature such as a firing step, and therefore the roughness and stress of the silicon film fluctuate, and highly reliable droplets. It is difficult to realize a discharge head. In addition, the process of forming the piezoelectric element is limited, and in some cases, the yield and cost may be affected. Thus, the film thickness of the silicon layer affects the surface roughness. If the silicon layer is made thinner, the surface roughness can be reduced, but the rigidity of the diaphragm is significantly reduced.

一方、材料表面の表面を平坦にする技術であるCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)は、半導体素子製造技術である基板表面の平坦化工程に一般的に用いられている。基板単体に限らず、パターンを形成した後の層間絶縁膜の平坦化工程など、既に異種の材料により凹凸が発生している基板に対してもCMPが実施されるに至っている。そのために、研磨剤及び研磨方法の改善がなされるに至っている(特許文献7及び特許文献8参照)。
また、半導体素子製造に限られず、磁気記録媒体の基板に転用し基板の平坦化しようとする試みがある(特許文献9参照)。
On the other hand, CMP (Chemical Mechanical Polishing), which is a technique for flattening the surface of a material surface, is generally used in a planarization process of a substrate surface, which is a semiconductor element manufacturing technique. CMP has been performed not only on a single substrate but also on a substrate on which unevenness has already occurred due to different materials, such as a step of planarizing an interlayer insulating film after forming a pattern. For this reason, improvements in abrasives and polishing methods have been made (see Patent Document 7 and Patent Document 8).
Further, the present invention is not limited to the manufacture of semiconductor elements, and there is an attempt to convert the substrate to a magnetic recording medium and flatten the substrate (see Patent Document 9).

以下、本発明を実施するための形態に係る液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド、及び画像形成装置について説明する。
実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。まず、液滴吐出ヘッドの構造について説明する。図1は実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの断面図、図2は図1中のA部の拡大断面図である。
実施形態に係る液滴吐出ヘッド300は、インクを収納する加圧室301を形成した基板201と、この加圧室301を加圧する振動層である振動膜202と、振動膜202を駆動する電気機械変換素子210と、を備える。加圧室301は、基板201の両側に開口を備えるように形成し、一方(図中下方)の開口側にノズル302を開設したノズル板303を配置し、他方の開口側に振動膜202を配置して、内部にインクを収納できるように構成する。
電気機械変換素子210は、振動膜202の上面に形成した一対の電極層の一方である下部電極膜203と、下部電極膜203に密着層206を挟んで配置した電気機械変換膜204と、電気機械変換膜204の上面に配置した、一対の電極層の他方である上部電極膜205とからなる。電気機械変換膜204は、圧電特性を備えた強誘電体の層である。
Hereinafter, a method for manufacturing a droplet discharge head, a droplet discharge head, and an image forming apparatus according to embodiments for carrying out the present invention will be described.
A method for manufacturing a droplet discharge head according to Embodiment 1 will be described. First, the structure of the droplet discharge head will be described. 1 is a cross-sectional view of a droplet discharge head according to Embodiment 1, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG.
The droplet discharge head 300 according to the embodiment includes a substrate 201 on which a pressurizing chamber 301 for storing ink is formed, a vibration film 202 that is a vibration layer that pressurizes the pressure chamber 301, and an electric that drives the vibration film 202. A mechanical conversion element 210. The pressurizing chamber 301 is formed so as to have openings on both sides of the substrate 201, a nozzle plate 303 having a nozzle 302 is disposed on one (lower side in the drawing), and the vibration film 202 is disposed on the other opening side. It arrange | positions and it is comprised so that ink can be accommodated in an inside.
The electromechanical conversion element 210 includes a lower electrode film 203 that is one of a pair of electrode layers formed on the upper surface of the vibration film 202, an electromechanical conversion film 204 that is disposed with the adhesion layer 206 sandwiched between the lower electrode film 203, The upper electrode film 205 which is the other of the pair of electrode layers is disposed on the upper surface of the mechanical conversion film 204. The electromechanical conversion film 204 is a ferroelectric layer having piezoelectric characteristics.

液滴吐出ヘッド300は以下のようにして製造する。基板201は、シリコン単結晶基板を使用することが好ましく、通常100〜600μmの厚みとすることが好ましい。シリコン単結晶の面方位は、(100)、(110)、(111)の3種がある。半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されている。実施形態1では、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用する。
また、加圧室301は、エッチングによりシリコン単結晶基板を加工する。このエッチングの方法としては、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する。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸ける異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は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54.74°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を形成することができる。このため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができる。
実施形態1では、(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することできる。ただし、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということがあるため、留意する。
The droplet discharge head 300 is manufactured as follows. As the substrate 201, a silicon single crystal substrate is preferably used, and it is usually preferable to have a thickness of 100 to 600 μm. There are three types of plane orientation of the silicon single crystal: (100), (110), and (111). In the semiconductor industry, (100) and (111) are generally widely used. In the first embodiment, a single crystal substrate mainly having a (100) plane orientation is mainly used.
The pressurizing chamber 301 processes a silicon single crystal substrate by etching. As an etching method, anisotropic etching is generally used. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Accordingly, a structure having an inclination of about 54.74 ° can be produced in the plane orientation (100), whereas a deep groove can be formed in the plane orientation (110). For this reason, it is possible to increase the arrangement density while maintaining rigidity.
In the first embodiment, a single crystal substrate having a (110) plane orientation can be used. However, it should be noted that in this case, SiO 2 that is a mask material may also be etched.

振動膜202は、電気機械変換膜204が発生する力を受けて、変形変位して、加圧室301のインクをノズル302からインク滴として滴を吐出させる。そのため、振動膜202としては所定の強度を有することが求められる。実施形態1では振動膜202をCVD(Chemical Vapor Deposition)積層法の一種であるLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)積層法により形成する。振動膜202の表面粗さは、算術平均粗さで4nm以下とする。この範囲を超えると、その後成膜した電気機械変換膜204としてのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Lead Titanate Zirconate)の絶縁耐圧が非常に悪くなり、リークしやすくなる。材料としては、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やその組み合わせが使用できる。
LPCVD法で成膜された振動膜202は、半導体、MEMSデバイスで一般的に従来適用されており、加工もしやすいことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、SOI等の高価な基板を用いることなく、安定した振動膜を得ることができる。
実施形態1において、振動膜202は、(100)の面方位を持つ基板201にLPCVD法(あるいは熱処理製膜法で)でシリコン酸化膜(例えば厚さ200nm)を成膜し、その後ポリシリコン膜(例えば厚さ500nm)を成膜する。ポリシリコン層の厚さは、0.1〜3μm、表面粗さが算術平均粗さで5nm以下であることが好ましい。さらにLPCVD法でシリコン窒化膜を成膜する。その後、振動膜202をCMP研磨して、下部電極膜203を形成する。
The vibration film 202 receives a force generated by the electromechanical conversion film 204 and deforms and displaces the ink so that the ink in the pressurizing chamber 301 is ejected from the nozzle 302 as an ink droplet. Therefore, the vibration film 202 is required to have a predetermined strength. In the first embodiment, the vibration film 202 is formed by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) laminating method which is a kind of CVD (Chemical Vapor Deposition) laminating method. The surface roughness of the vibration film 202 is 4 nm or less in terms of arithmetic average roughness. If this range is exceeded, the dielectric breakdown voltage of PZT (Lead Titanate Zirconate) as the electromechanical conversion film 204 formed after that becomes very poor and leaks easily. As the material, polysilicon, silicon oxide film, silicon nitride film or a combination thereof can be used.
The vibration film 202 formed by the LPCVD method has been generally applied to semiconductors and MEMS devices in the past, and is easy to process. Therefore, it does not introduce new process problems and does not use an expensive substrate such as SOI. A stable vibration film can be obtained.
In the first embodiment, the vibration film 202 is formed by forming a silicon oxide film (for example, a thickness of 200 nm) on the substrate 201 having a (100) plane orientation by the LPCVD method (or heat treatment film forming method), and then forming a polysilicon film. (For example, a thickness of 500 nm) is formed. The thickness of the polysilicon layer is preferably 0.1 to 3 μm, and the surface roughness is preferably an arithmetic average roughness of 5 nm or less. Further, a silicon nitride film is formed by LPCVD. Thereafter, the vibration film 202 is polished by CMP to form the lower electrode film 203.

下部電極膜203としては、振動膜202に密着層206を介して、あるいは直接、(111)配向を有した元素、例えばPt、Ir、IrO、RuO、LaNiO及びSrRuOから選ばれる少なくとも種類を主成分とする金属、または金属酸化物、及びこれらの組み合わせにより形成する。金属材料としては以前から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては十分なバリアー性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜を使用することができる。
また、白金を使用する場合には振動板との密着性が悪いため、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmがさらに好ましい。またこのとき、電気機械変換膜204としてPZTを選択したときにその結晶性として(111)配向を有していることが好ましい。そのために下部電極膜203の材料としては、(111)配向性が高いPtを含むことが好ましい。
上部電極膜205の材料としては特に制限はなく、下部電極膜で例示した材料、Al、Cuなどの一般に半導体プロセスで用いられる材料及びその組み合わせを使用することができる。
The lower electrode film 203 is at least selected from elements having a (111) orientation, for example, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 and SrRuO 3 via the adhesion layer 206 on the vibration film 202. It is formed of a metal whose main component is a metal, a metal oxide, or a combination thereof. As metal materials, platinum with high heat resistance and low reactivity has been used for some time, but it may not be enough barrier for lead, and platinum such as iridium and platinum-rhodium is sometimes used. Group elements and these alloy films can be used.
In addition, when platinum is used, the adhesiveness with the diaphragm is poor, so that Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 and the like are preferably laminated first. As a manufacturing method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. As a film thickness, 0.05-1 micrometer is preferable and 0.1-0.5 micrometer is further more preferable. At this time, when PZT is selected as the electromechanical conversion film 204, the crystallinity thereof preferably has (111) orientation. Therefore, it is preferable that the material of the lower electrode film 203 contains Pt having a high (111) orientation.
The material of the upper electrode film 205 is not particularly limited, and materials exemplified for the lower electrode film, materials generally used in semiconductor processes such as Al and Cu, and combinations thereof can be used.

電気機械変換膜204は圧電特性を有する強誘電体で構成するものであり、実施形態1では、PZTを主に使用した。PZTは、ジルコン酸鉛(PbTiO)とチタン酸鉛(PbTiO)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PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53Ti0.47)O:一般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あり、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できる。
これら材料は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、SrB=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−X、Ba)(Zr、Ti)O、(Pb1−X、Sr)(Zr、Ti)O、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。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。
The electromechanical conversion film 204 is composed of a ferroelectric material having piezoelectric characteristics. In the first embodiment, PZT is mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric properties has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47, and expressed by chemical formula as Pb (Zr0.53Ti0.47) O 3 : general PZT (53/47). It is.
Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, a barium titanate precursor solution can be prepared by using barium alkoxide and a titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in a common solvent.
These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides whose main components are A = Pb, Ba, SrB = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb. Specific descriptions thereof include (Pb1-X, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb1-X, Sr) (Zr, Ti) O 3 , which partially replaces Pb at the A site with Ba or Sr. This is the case. Such substitution is possible with a divalent element, and the effect thereof has an effect of reducing characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.

作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、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、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ことで、PZT前駆体溶液が作製できる。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化剤を適量、添加しても良い。
基板201の全面にPZT膜を形成するときには、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。
As a manufacturing method, it can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
When PZT is produced by the Sol-gel method, PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. . Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
When a PZT film is formed on the entire surface of the substrate 201, a coating film is formed by a solution coating method such as spin coating, and heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization are performed. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film.

また、インクジェット工法により作製していく場合は、パターニングされた膜を得ることができる。表面改質材については、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は主にシラン化合物、金属を下地とする場合は主にアルカンチオールを選定する。
電気機械変換膜204の膜厚は0.5〜5μmが好ましく、1μm〜2μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より大きいと何層も積層させなければならず、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
Moreover, when producing by the inkjet construction method, a patterned film can be obtained. As for the surface modifying material, although it varies depending on the material of the base, the silane compound is mainly selected when the oxide is used as the base, and the alkanethiol is mainly selected when the metal is the base.
The thickness of the electromechanical conversion film 204 is preferably 0.5 to 5 μm, and more preferably 1 μm to 2 μm. If it is smaller than this range, sufficient displacement cannot be generated. If it is larger than this range, many layers must be laminated, and the number of steps increases and the process time increases.

Sol−gel法により作製した溶液を用いてスピンコートにより1μmに成膜したPZTのX線回折(XRD)の結果を図3に示す。これより、PZTは(111)面が非常に優先配向した膜が得られていることが分かる。また、PZTの熱処理条件によっては(111)以外の配向膜にもなっており、以下の式を用いたときに、(111)配向度が0.95以上かつ(110)配向度が0.05以下であることが好ましい。
XRDで得られた各配向のピークの総和を1としたときの、それぞれの配向の比率を表す計算方法は以下のとおりである。これは、平均配向度を表している。
ρ=I(hkl)/ΣI(hkl)
分母:各ピーク強度の総和
分子:任意の配向のピーク強度
この範囲を超える場合は、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。
FIG. 3 shows the result of X-ray diffraction (XRD) of PZT formed into a 1 μm film by spin coating using a solution prepared by the Sol-gel method. From this, it can be seen that PZT has a film in which the (111) plane is highly preferentially oriented. In addition, depending on the heat treatment conditions of PZT, it is an orientation film other than (111). When the following formula is used, the (111) orientation degree is 0.95 or more and the (110) orientation degree is 0.05. The following is preferable.
The calculation method expressing the ratio of each orientation when the sum of the peaks of each orientation obtained by XRD is 1 is as follows. This represents the average degree of orientation.
ρ = I (hkl) / ΣI (hkl)
Denominator: Sum of peak intensities Numerator: Peak intensity in any orientation If this range is exceeded, sufficient characteristics cannot be obtained for displacement degradation after continuous driving.

以下、実施例について説明する。
<実施例1:Si基板材料の表面に熱酸化膜を形成後CVD積層法で振動膜を形成>
基板201であるシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、振動膜202をLPCVD法により作製した。シリコン酸化膜を厚さ200nm成膜し、その後ポリシリコン膜500nmを成膜した。次にLPCVD法でシリコン窒化膜を200nm成膜した。さらに、シリコン酸化膜を厚さ700nm成膜し、シリコン窒化膜を200nm、シリコン酸化膜800を形成した。これを熱酸化することによりSiO絶縁膜を形成した。このSiO膜が振動膜202となる。このときのSiO膜厚は2μmとした。
Examples will be described below.
<Example 1: A thermal oxide film is formed on the surface of a Si substrate material, and then a vibration film is formed by a CVD lamination method>
A thermal oxide film (film thickness: 1 micron) was formed on a silicon wafer as the substrate 201, and the vibration film 202 was produced by LPCVD. A silicon oxide film was formed to a thickness of 200 nm, and then a polysilicon film was formed to a thickness of 500 nm. Next, a 200 nm silicon nitride film was formed by LPCVD. Further, a silicon oxide film was formed to a thickness of 700 nm, a silicon nitride film was formed to 200 nm, and a silicon oxide film 800 was formed. This was thermally oxidized to form a SiO 2 insulating film. This SiO 2 film becomes the vibration film 202. The SiO 2 film thickness at this time was 2 μm.

次に、CMP研磨(Chemical Mechanical Polishing:化学機械的研磨)を実施し、最上層のシリコン酸化膜を100nm相当研磨した。研磨剤としては酸化セリウムを用いた。酸化セリウムの平均粒子径20nmのものを用い、5〜20重量%の範囲の濃度で分散剤と水とで混合し酸化セリウムを分散させたスラリーにより処理を行った。添加剤としては高分子添加剤としてポリアクリル酸アンモニウム(固形分:2.4重量%)を適宜混合し、200ml/minの速度で滴下しながら30〜40秒CMP処理により酸化膜の研磨を行った。
研磨後のウエハーは、純水で洗浄後乾燥しCMP処理を終了した。ここで、CMP処理後の表面の粗さを測定したところ、Ra3nmであり、数値上はCVD積層膜上よりRaは小さかった。また、表面粗さの断面プロファイルを図4に示す。また処理を行わなかったものを図5に示す。これらは同じ位置でのプロファイルではないが、短周期の凸部の深さが小さくなっているのが分かる。
Next, CMP polishing (Chemical Mechanical Polishing) was performed, and the uppermost silicon oxide film was polished by 100 nm. Cerium oxide was used as the abrasive. A cerium oxide having an average particle size of 20 nm was used, and the treatment was performed with a slurry in which cerium oxide was dispersed by mixing with a dispersant and water at a concentration in the range of 5 to 20% by weight. As the additive, ammonium polyacrylate (solid content: 2.4% by weight) is appropriately mixed as a polymer additive, and the oxide film is polished by CMP treatment for 30 to 40 seconds while dropping at a rate of 200 ml / min. It was.
The polished wafer was washed with pure water and then dried to finish the CMP process. Here, when the roughness of the surface after the CMP treatment was measured, it was Ra 3 nm, and Ra was smaller in numerical value than on the CVD laminated film. FIG. 4 shows a cross-sectional profile of the surface roughness. FIG. 5 shows what was not processed. Although these are not profiles at the same position, it can be seen that the depth of the short period convex portion is small.

次に、この振動板となるCVD積層膜の上に下部電極膜203との密着層206となる電極膜密着層としてTi金属膜を成膜した。成膜装置は、キヤノンアネルバ社製自動スパッタリング装置E−401Sである。密着層206の形成条件は、基板温度300℃、RF投入パワー500W、Arガス圧1.3Pa、形成した膜厚は50nmである。次に、下部電極膜203としてのPt電極膜を200nmの膜厚で形成した。プロセス条件は、基板温度300℃、RF投入パワー500W、Arガス圧1.3Paとした。これにより、下部電極膜203は(111)面が膜厚方向に配向している。
次に、下部電極膜203上に酸化物電極膜としてSrRuO膜(SrRuO)を60nmの膜厚で形成した。形成条件は、基板温度550℃、RF投入パワー500W、O2ガスを30%含有したArガスをスパッタガスとしてそのガス圧を6Paとした。
次に、電気機械変換膜204を形成した。電気機械変換膜204の材料としては最も一般的なPZT(焼成後Zr/Ti=52/48となる組成、Pb過剰量は15atomic%)の原材料を選択した。PZTを構成する金属元素Pb、Zr、Tiを成分とするあるアルコキシドを出発原料として形成した。1層スピンコート後圧電体膜の固化焼成としては、RTA装置を使用し、温度490℃×5minの条件下酸素雰囲気中で焼成した。続いて、2層目、3層目も同様にして固化焼成し、結晶化のための焼成として750℃×3minの条件により乾燥空気中の雰囲気で焼成した。この3層(M=3)を積層した際の膜厚は250nmであった。
Next, a Ti metal film was formed as an electrode film adhesion layer serving as an adhesion layer 206 with the lower electrode film 203 on the CVD laminated film serving as the vibration plate. The film forming apparatus is an automatic sputtering apparatus E-401S manufactured by Canon Anelva. The formation conditions of the adhesion layer 206 are a substrate temperature of 300 ° C., an RF input power of 500 W, an Ar gas pressure of 1.3 Pa, and a formed film thickness of 50 nm. Next, a Pt electrode film as the lower electrode film 203 was formed with a thickness of 200 nm. The process conditions were a substrate temperature of 300 ° C., RF input power of 500 W, and Ar gas pressure of 1.3 Pa. Thereby, the lower electrode film 203 has the (111) plane oriented in the film thickness direction.
Next, an SrRuO 3 film (SrRuO 3 ) having a thickness of 60 nm was formed as an oxide electrode film on the lower electrode film 203. The formation conditions were a substrate temperature of 550 ° C., an RF input power of 500 W, an Ar gas containing 30% O 2 gas as a sputtering gas, and a gas pressure of 6 Pa.
Next, an electromechanical conversion film 204 was formed. As the material of the electromechanical conversion film 204, the most common raw material of PZT (composition that gives Zr / Ti = 52/48 after firing, Pb excess is 15 atomic%) was selected. A certain alkoxide containing the metal elements Pb, Zr and Ti constituting PZT as a starting material was formed. As the solidification baking of the piezoelectric film after the single-layer spin coating, an RTA apparatus was used, and the baking was performed in an oxygen atmosphere under a temperature condition of 490 ° C. × 5 min. Subsequently, the second and third layers were solidified and fired in the same manner, and were fired in an atmosphere in dry air under conditions of 750 ° C. × 3 min as firing for crystallization. The film thickness when these three layers (M = 3) were laminated was 250 nm.

この3層の積層を同じ手順で6回繰り返し、総膜厚1.5μmの電気機械変換膜204を形成した。次に、電気機械変換膜204を1.5μm積層した後に上部電極膜205を形成し素子化してデバイスとしての評価を行った。すなわち、電気機械変換膜204の上に酸化物電極膜としてSrRuOを40nmの厚みで成膜した。形成条件は、基板温度550℃、RF投入パワー300W、O2ガスを30%含有したArガスをスパッタガスとしてそのガス圧を6Paとした。さらに、上部電極膜205となるPt電極膜を100nmの膜厚で形成した。プロセス条件は、基板温度300℃、RF投入パワー500W、Arガス圧1.3Paである。単に特性を測定するのみなら、Pt電極膜のみの積層でも十分である。上部電極膜205はPt単層またはPt電極膜/酸化物電極膜の構成となる。
その後、フォトリソグラフィーの技術を用いレジストパターンを形成後、断面を図1に示した形状にエッチング及びレジストアッシングを行った。このとき、上部電極膜205のサイズが45μm×1mmの短冊状の形状とした。
さらに、素子を保護するパッシベーション膜の形成、図示されていない層間絶縁層の形成、配線電極膜の素子との接続形成、配線を保護するパッシベーッション膜の形成等を行ってデバイス化した。
This three-layer lamination was repeated 6 times in the same procedure, and an electromechanical conversion film 204 having a total film thickness of 1.5 μm was formed. Next, after laminating the electromechanical conversion film 204 by 1.5 μm, the upper electrode film 205 was formed to form an element and evaluated as a device. That is, SrRuO 3 having a thickness of 40 nm was formed on the electromechanical conversion film 204 as an oxide electrode film. The formation conditions were a substrate temperature of 550 ° C., an RF input power of 300 W, an Ar gas containing 30% O 2 gas as a sputtering gas, and a gas pressure of 6 Pa. Further, a Pt electrode film to be the upper electrode film 205 was formed with a film thickness of 100 nm. The process conditions are a substrate temperature of 300 ° C., RF input power of 500 W, and Ar gas pressure of 1.3 Pa. If only the characteristics are to be measured, it is sufficient to stack only the Pt electrode film. The upper electrode film 205 has a structure of a single Pt layer or a Pt electrode film / oxide electrode film.
Then, after forming a resist pattern using a photolithography technique, the cross section was etched and resist ashed into the shape shown in FIG. At this time, the upper electrode film 205 was formed in a strip shape having a size of 45 μm × 1 mm.
Further, a device was formed by forming a passivation film for protecting the element, forming an interlayer insulating layer (not shown), forming a connection between the wiring electrode film and the element, forming a passivation film for protecting the wiring, and the like.

この状態まで形成した後、分極処理後疲労試験のために以下の条件で繰り返し駆動電圧の印加を行った。上部電極膜側が正の電位、下部電極膜側を負の電位(アース電位)とした。
[分極処理条件]
印加電圧:40V(0Vから3minでゆっくり電圧を上げ、1min保持 3minで0Vまでゆっくり電圧を下げる。)
分極後の評価:上部電極膜と下部電極膜との間に駆動電圧繰り返し印加テストの印加電圧の矩形波1kHzで計測したキャパシタンスを初期値として測定した。
[駆動電圧繰り返し印加テスト条件]
印加電圧:DC0−30V矩形波(上部電極膜が正の電位)
印加周期:100kHz
Duty:50%(プラス電位印加の時間割合)
テスト途中の評価:分極後のキャパシタンス初期値を1として規格化し、印加回数ごとに各ポイントで分極後の評価と同じ評価をして減衰率を見た。規格化後初期値10%減衰した時点を疲労評価ポイントとした。
After forming to this state, a driving voltage was repeatedly applied under the following conditions for a fatigue test after polarization treatment. The upper electrode film side was set to a positive potential, and the lower electrode film side was set to a negative potential (ground potential).
[Polarization processing conditions]
Applied voltage: 40V (Slowly increase the voltage from 0V in 3min, hold for 1min. Slowly decrease the voltage to 0V in 3min.)
Evaluation after polarization: The capacitance measured with a rectangular wave of 1 kHz of the applied voltage of the repeated driving voltage test between the upper electrode film and the lower electrode film was measured as an initial value.
[Test conditions for repeated application of drive voltage]
Applied voltage: DC 0-30V rectangular wave (upper electrode film is positive potential)
Application period: 100 kHz
Duty: 50% (plus electric potential application time ratio)
Evaluation during the test: The initial value of capacitance after polarization was normalized to 1, and the same evaluation as the evaluation after polarization was performed at each point for each number of times of application, and the attenuation rate was observed. The point at which the initial value was attenuated by 10% after normalization was taken as the fatigue evaluation point.

その結果、1012回までは、上記条件にて初期値10%以内減衰で確保できることが分かった。
さらに、これらの電極膜の結晶性評価及び電極膜の断面外観評価は以下の手段で行った。評価はX線回折により、PZT及びPtの結晶性を測定した。具体的には、フィリップス社製X線回折装置:型式X’Pert−PROによりθ−2θの測定を20〜60°の角度でスキャンしPt(111)のピーク(ピーク位置:2θで39.98°付近)強度及びロッキングカーブの半値幅(図、表中はFWHMと記載)により評価を行った。また、SRO(SrRuO)に関しては、θ−2θではPt(111)のピークと重なってしまうため、Pt(111)に相当する2θの位置で、Psi角を振りMRD測定を行い、SRO(111)に相当するPsi角度でのピーク強度及びPsiを振ったときの半値幅により結晶性を評価した。MRDに関しては、フィリップス社製 MRD装置 型式X’Pert MRD により行った。
結果を表1に示す。
As a result, it was found that up to 1012 times can be secured with attenuation within 10% of the initial value under the above conditions.
Furthermore, the crystallinity evaluation of these electrode films and the cross-sectional appearance evaluation of the electrode films were performed by the following means. Evaluation was made by measuring the crystallinity of PZT and Pt by X-ray diffraction. Specifically, the measurement of θ-2θ was scanned at an angle of 20 to 60 ° with an X-ray diffractometer manufactured by Philips: model X′Pert-PRO, and the peak of Pt (111) (peak position: 39.98 at 2θ). The vicinity was evaluated based on the strength and the half-value width of the rocking curve (shown as FWHM in the figure and the table). As for SRO (SrRuO 3 ), since it overlaps with the peak of Pt (111) at θ-2θ, MRD measurement is performed by swinging the Psi angle at the position of 2θ corresponding to Pt (111), and SRO (111 The crystallinity was evaluated by the peak intensity at the Psi angle corresponding to) and the full width at half maximum when Psi was shaken. For MRD, the MRD apparatus model X'Pert MRD manufactured by Philips was used.
The results are shown in Table 1.

Figure 2013184313
また、FIB断面形成しSEM観察(SEM装置はCarl Zeiss社製 型式NVision40)を行うことにより、断面形状からの知見を得た。SEM像を図6(a)に示した。
Figure 2013184313
In addition, the FIB cross section was formed and SEM observation was performed (SEM apparatus is model NVision 40 manufactured by Carl Zeiss), and knowledge from the cross section was obtained. The SEM image is shown in FIG.

(実施例2)
実施例1と同様のプロセスによる圧電体膜形成後に、膜の断面構造を観察した結果を図4(b)に示した。断面構造は図の下側がCMP処理をした面であるが、大きな凸部は観察されずうねってはいるが比較的平坦な面を表している。圧電体膜の熱処理時に形成されるPtの空洞もほぼ垂直にそろっている。
(Example 2)
The result of observing the cross-sectional structure of the film after the formation of the piezoelectric film by the same process as in Example 1 is shown in FIG. In the cross-sectional structure, the lower side of the drawing is a surface subjected to the CMP process, but a large convex portion is not observed but undulates and represents a relatively flat surface. The Pt cavities formed during the heat treatment of the piezoelectric film are also aligned substantially vertically.

(実施例3)
液滴吐出ヘッド300を複数個並べて配置した液滴吐出ヘッド列320を作成した。図7は実施形態に係る液滴吐出ヘッド列の積層断面図である。この液滴吐出ヘッド列320によりインクの吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印加電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出できていることを確認した。
(Example 3)
A droplet discharge head row 320 in which a plurality of droplet discharge heads 300 are arranged side by side was created. FIG. 7 is a cross-sectional view of a droplet discharge head array according to the embodiment. Ink ejection evaluation was performed by the droplet ejection head row 320. Using an ink whose viscosity was adjusted to 5 cp, the discharge state when an applied voltage of −10 to −30 V was applied with a simple Push waveform was confirmed, and it was confirmed that discharge was possible from any nozzle hole.

(比較例1)
実施例1の手順中、CVD積層膜をCMP研磨せずにTi50nm、Pt250nm次いでSRO60nmを積層し、X線回折により結晶性を評価した。CVD積層膜上のPt(111)のピーク強度は熱酸化膜上に比べ、約1桁低い(約12%)ピーク強度を示した。また、Pt(111)のロッキングカーブ半値幅は熱酸化SiO膜上のPtの約2.5倍と広く、結晶性が非常に悪いことが分かった。図2にその比較を示した。CVD積層膜上に積層形成した電極膜の結晶性は実施例1のCMD処理を実施した構成上に形成した電極膜に比較し、Pt(111)の結晶性がピーク強度及びロッキングカーブの半値幅の点で著しく劣っていることが分かる。
また、このサンプルをPZT形成後にPt部分の断面観察をしたところ、CVD積層膜上は平坦な膜ではなく粗面化していてさらに積層したPt膜の空洞部(PZT焼成後に発生)がさまざまな方向に傾斜していることが分かった。図6(a)にその断面SEM画像を示す。FIB(Focused Ion Beam)加工した断面SEMの観察からCVD積層膜の断面構造として、膜自体が平坦ではなく粗面になっていることが確認されている。さらに、Ptの空洞構造が必ずしも垂直に立っていない。一方、CMD処理を実施した膜、すなわち図6(b)に示したものは平坦である。
(Comparative Example 1)
In the procedure of Example 1, Ti 50 nm, Pt 250 nm, and then SRO 60 nm were laminated without CMP polishing the CVD laminated film, and the crystallinity was evaluated by X-ray diffraction. The peak intensity of Pt (111) on the CVD laminated film was about 1 digit lower (about 12%) than that on the thermal oxide film. Moreover, the rocking curve half-width of Pt (111) was as wide as about 2.5 times that of Pt on the thermally oxidized SiO 2 film, and it was found that the crystallinity was very poor. FIG. 2 shows the comparison. The crystallinity of the electrode film laminated on the CVD laminated film is higher than that of the electrode film formed on the structure subjected to the CMD treatment of Example 1, and the crystallinity of Pt (111) is the peak intensity and the half width of the rocking curve. It turns out that it is remarkably inferior in the point.
Further, when this sample was subjected to cross-sectional observation of the Pt portion after the PZT was formed, the CVD laminated film was not a flat film but was roughened, and the laminated Pt film cavity (occurred after PZT firing) was in various directions. It turned out to be inclined. FIG. 6A shows the cross-sectional SEM image. From observation of a cross-sectional SEM processed by FIB (Focused Ion Beam), it is confirmed that the film itself is not a flat surface but a rough surface as a cross-sectional structure of the CVD laminated film. Furthermore, the Pt cavity structure does not necessarily stand vertically. On the other hand, the film subjected to the CMD process, that is, the film shown in FIG. 6B is flat.

(比較例2)
CMP処理を実施しなかった以外は実施例1と同様のプロセスによる圧電体膜形成後に、膜の断面構造を観察した結果を図6(a)に示す。断面構造は図の下側がCVD積層膜表面を表しているが、圧電体膜の熱処理により大きくPtが影響を受けている。Ptの凹部がCVD積層膜の凸部に相当するが、圧電体膜の熱処理のためエンハンストされた形状となっている。面は平坦ではなく、圧電体膜の熱処理時に形成されるPtの空洞はそれに応じて傾斜した空洞に変化している。ここで、Ptの凹部に関して測定を行ったところ、平均周期は95nm(幅では50〜137nm)、また平均深さは17.5μm(幅では7〜18.5nm)であった。
一方、電極膜として用いているPtの粒径はほぼ平均100nm(幅では80〜120nm)であるため、この凹部の周期パターンはPtの結晶化、グレイン成長に影響を及ぼすと考えられる。
(Comparative Example 2)
FIG. 6A shows the result of observing the cross-sectional structure of the film after forming the piezoelectric film by the same process as in Example 1 except that the CMP process was not performed. In the cross-sectional structure, the lower side of the figure represents the surface of the CVD laminated film, but Pt is greatly influenced by the heat treatment of the piezoelectric film. The concave portion of Pt corresponds to the convex portion of the CVD laminated film, but has an enhanced shape for heat treatment of the piezoelectric film. The surface is not flat, and the Pt cavities formed during the heat treatment of the piezoelectric film are changed to inclined cavities accordingly. Here, when the measurement was performed on the concave portion of Pt, the average period was 95 nm (50 to 137 nm in width), and the average depth was 17.5 μm (7 to 18.5 nm in width).
On the other hand, since the particle diameter of Pt used as the electrode film is approximately 100 nm on average (80 to 120 nm in width), it is considered that the periodic pattern of the recesses affects the crystallization and grain growth of Pt.

以上のように、実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、振動膜202をCMP研磨することにより、振動膜202の表面が平坦化され、振動膜202に接して形成される下部電極膜203電極膜の結晶性を確保することができる。下部電極膜203はさらにその上に積層される電気機械変換膜204の結晶性を支配する結晶性制御膜としての効果もあるため電気機械変換膜204の結晶性を確保すると、デバイスとしての電気機械特性を良好なものとすることができる。
また、CMP研磨した面は、単に表面を平坦化するということではなく、CVD積層で形成した振動膜202に形成される下部電極膜203の結晶性を良好にする。この目的のためには、振動膜202の表面粗さが粗くとも、深さが100nm以下かつその周期が150nm未満の凸部が除去されていれば良い。これは、CVD積層された振動膜202に接触して形成される下部電極膜203の結晶粒径は80〜130nmであり、150nm未満の凹凸がその結晶性を左右しているためである。
また、研磨粒子に少なくとも酸化セリウム粒子を用いるのは、酸化セリウムは研磨剤としてシリカ粒子やアルミナ粒子に比べ硬度が低く、研磨表面に傷が入りにくいためである。これにより、研磨工程の副作用として発生する傷に起因する下部電極膜203の結晶性の劣化を防止する。
また、下部電極膜203を、Pt、Ir、IrO、RuO、LaNiO及びSrRuOから選ばれる少なくとも1種類を主成分としたので、下部電極膜203上に積層する電気機械変換膜204の結晶性の制御が良好に行える。
さらに、振動膜202を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を少なくともどちらかを含むものとしたので、液滴吐出ヘッドを構成したときの膜応力が把握でき電気的に与える吐出波形の形成が容易になる。
As described above, according to the manufacturing method of the droplet discharge head according to the first embodiment, the surface of the vibration film 202 is planarized and formed in contact with the vibration film 202 by polishing the vibration film 202 with CMP. The crystallinity of the lower electrode film 203 can be ensured. Since the lower electrode film 203 also has an effect as a crystallinity control film that governs the crystallinity of the electromechanical conversion film 204 laminated thereon, if the crystallinity of the electromechanical conversion film 204 is ensured, the electromechanical device as a device Good characteristics can be obtained.
Further, the CMP polished surface does not simply flatten the surface, but improves the crystallinity of the lower electrode film 203 formed on the vibration film 202 formed by CVD lamination. For this purpose, even if the surface roughness of the vibration film 202 is rough, it is only necessary to remove convex portions having a depth of 100 nm or less and a period of less than 150 nm. This is because the crystal grain size of the lower electrode film 203 formed in contact with the CVD laminated vibration film 202 is 80 to 130 nm, and irregularities of less than 150 nm influence the crystallinity.
The reason why at least cerium oxide particles are used as the abrasive particles is that cerium oxide has a lower hardness than the silica particles and alumina particles as an abrasive, and scratches are less likely to occur on the polished surface. As a result, deterioration of the crystallinity of the lower electrode film 203 due to scratches generated as a side effect of the polishing process is prevented.
In addition, since the lower electrode film 203 is mainly composed of at least one selected from Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 and SrRuO 3, the electromechanical conversion film 204 laminated on the lower electrode film 203 is used. The crystallinity can be controlled well.
Further, since the vibration film 202 includes at least one of a silicon oxide film and a silicon nitride film, it is possible to grasp the film stress when the droplet discharge head is configured, and to easily form a discharge waveform to be applied electrically. Become.

(参考例1)
実施例1で、CVD積層膜をCMP研磨したサンプルを用いる代わりに、粗面化された面上に熱酸化SiO膜を形成したのち電極膜としてTi50nm、Pt250nm次いでSRO60nmを積層し、X線回折により結晶性を評価した。結果として、粗面化していない熱酸化SiO膜と遜色ないPt(111)XRDピークが得られた。従って、電極膜の下地層として良好な電極膜の結晶性を得るためには、通常の単なる表面粗さが効いているのではないことが分かる。
(Reference Example 1)
In Example 1, instead of using a sample obtained by polishing the CVD laminated film with CMP, a thermally oxidized SiO 2 film was formed on the roughened surface, and then Ti 50 nm, Pt 250 nm, and then SRO 60 nm were laminated as electrode films, and X-ray diffraction was performed. Was used to evaluate crystallinity. As a result, a Pt (111) XRD peak comparable to that of a non-roughened thermally oxidized SiO 2 film was obtained. Therefore, it can be seen that in order to obtain good electrode film crystallinity as an underlayer of the electrode film, ordinary mere surface roughness is not effective.

<実施形態2>
次に、実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造方法で製造した液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置について説明する。図8は実施形態に係る画像形成装置の斜視図、図9は同画像形成装置の断面図である。
この画像形成装置10は、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、このキャリッジ93に搭載した実施形態1に係る液滴吐出ヘッド列320を備えた記録ヘッド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等で構成される印字機構部82を備える。また画像形成装置10は、装置本体81の下方部に、前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(あるいは給紙トレイ)84を抜き差し自在に装着できる。また、画像形成装置10は、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開いて倒すことができる構成を備える。画像形成装置10は、給紙カセット84または手差しトレイ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、後側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
<Embodiment 2>
Next, an image forming apparatus equipped with a droplet discharge head manufactured by the method for manufacturing a droplet discharge head according to Embodiment 1 will be described. FIG. 8 is a perspective view of the image forming apparatus according to the embodiment, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the image forming apparatus.
The image forming apparatus 10 includes a carriage 93 that can move in the main scanning direction inside the apparatus main body 81, a recording head 94 that includes the droplet discharge head row 320 according to Embodiment 1 mounted on the carriage 93, and a recording head 94. And a printing mechanism 82 composed of an ink cartridge or the like for supplying ink to the printer. In the image forming apparatus 10, a sheet feeding cassette (or sheet feeding tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side can be detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. Further, the image forming apparatus 10 has a configuration capable of opening and tilting a manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83. The image forming apparatus 10 takes in the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85, records a required image by the printing mechanism unit 82, and then discharges the paper to a paper discharge tray 86 mounted on the rear side. To do.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架した主ガイドロッド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する。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液滴吐出ヘッド列320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いる。これにより多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッド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、記録ヘッドとしてここでは各色の記録ヘッド94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個のヘッドでも良い。
The printing mechanism unit 82 holds the carriage 93 slidably in the main scanning direction with a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 that are horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The carriage 93 includes a recording head 94 including a droplet discharge head array 320 that discharges ink droplets of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk), and a plurality of ink discharge ports. (Nozzles) are arranged in a direction crossing the main scanning direction, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. Further, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the recording head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.
The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside. Accordingly, the ink supplied to the ink jet head is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the recording head 94 of each color is used here as the recording head, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of each color may be used.

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に摺動自在に配置し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に設置している。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、主走査モーター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を張り渡し、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、主走査モーター97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   Here, the carriage 93 is slidably disposed on the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the sheet conveyance direction), and is slidably disposed on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the sheet conveyance direction). Yes. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97. The carriage 93 is reciprocated by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

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とを設けている。さらに、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は図示していない副走査モーターによってギア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及び拍車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。
On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the recording head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84 and the paper 83 are guided. The guide member 103 is provided. Furthermore, a conveying roller 104 that reverses and conveys the fed paper 83, a conveying roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the conveying roller 104, and a leading end roller 106 that defines a feeding angle of the sheet 83 from the conveying roller 104; Is provided. The transport roller 104 is rotationally driven through a gear train by a sub-scanning motor (not shown).
A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.
At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

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107を配置している。回復装置107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107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(不図示)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。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明の実施形態1で作製した液滴吐出ヘッド列320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。
Further, a recovery device 107 for recovering defective ejection of the recording head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 107 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 107 side during printing standby, and the recording head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the recording head 94 is sealed by the capping unit, and bubbles and the like are sucked out together with the ink from the discharge port by the suction unit through the tube. Etc. are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
As described above, since the ink jet recording apparatus includes the liquid droplet ejection head array 320 manufactured in the first embodiment of the present invention, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and stable ink droplet ejection characteristics. Is obtained, and the image quality is improved.

201 基板、202 振動膜(振動層)、203 下部電極膜、204 電気機械変換膜、205 上部電極膜、206 密着層、210 電気機械変換素子、300 液滴吐出ヘッド、301 加圧室、302 ノズル、303 ノズル板   201 substrate, 202 vibration film (vibration layer), 203 lower electrode film, 204 electromechanical conversion film, 205 upper electrode film, 206 adhesion layer, 210 electromechanical conversion element, 300 droplet ejection head, 301 pressurization chamber, 302 nozzle , 303 Nozzle plate

特開2004−186646公報JP 2004-186646 A 特開2004−262253公報JP 2004-262253 A 特開2003−218325公報JP 2003-218325 A 特開2007−258389公報JP 2007-258389 A 特開2005−144918公報JP-A-2005-144918 特開2004−262253公報JP 2004-262253 A 特開2002−203819公報JP 2002-203819 A 特開2004−134751公報JP 2004-134751 A 特開2009−301630公報JP 2009-301630 A

Claims (7)

少なくとも、CVD積層した振動層と、該振動層上に形成したPt族金属を含む一対の電極層と、該電極層で挟んで形成した電気機械変換層と、を備える液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記振動層を形成した後、前記電極層の形成前に前記振動層の表面をCMP研磨することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
A method of manufacturing a droplet discharge head comprising at least a vibration layer formed by CVD, a pair of electrode layers containing a Pt group metal formed on the vibration layer, and an electromechanical conversion layer formed between the electrode layers In
A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising: forming a vibrating layer and subjecting the surface of the vibrating layer to CMP polishing before forming the electrode layer.
CMP研磨をする際、研磨粒子として少なくとも酸化セリウム粒子を含むものを用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。   3. The method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1, wherein when performing CMP polishing, a polishing particle containing at least cerium oxide particles is used. 請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法により製造したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   A droplet discharge head manufactured by the method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1. 振動層の表面をCMP研磨した後の状態において、振動層の表面から深さ5nm以上の凸部の周期が150nmを超えることを特徴とする請求項3に記載の液滴吐出ヘッド。   4. The droplet discharge head according to claim 3, wherein in a state after the surface of the vibration layer is subjected to CMP polishing, a period of convex portions having a depth of 5 nm or more from the surface of the vibration layer exceeds 150 nm. 電極層は、Pt、Ir、IrO、RuO、LaNiO及びSrRuOから選ばれる少なくとも1種類のものを主成分とすることを特徴とする請求項3又は4に記載の液滴吐出ヘッド。 5. The droplet discharge head according to claim 3, wherein the electrode layer is mainly composed of at least one selected from Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 and SrRuO 3 . 振動層として、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜のうち少なくとも一方の膜を含むことを特徴とする請求項3乃至5の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッド。   6. The droplet discharge head according to claim 3, wherein the vibration layer includes at least one of a silicon oxide film and a silicon nitride film. 請求項3乃至6の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドから吐出されるインクで画像を形成する記録媒体の搬送を行う搬送手段と、を備えることを特徴とする画像形成装置。   A droplet discharge head according to any one of claims 3 to 6, and a transport unit that transports a recording medium that forms an image with ink discharged from the droplet discharge head. Image forming apparatus.
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