JP2013225671A - Thin film manufacturing device, electromechanical conversion element, liquid discharge head, image forming apparatus and thin film manufacturing method - Google Patents

Thin film manufacturing device, electromechanical conversion element, liquid discharge head, image forming apparatus and thin film manufacturing method Download PDF

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Hikari Shimofuku
光 下福
Jun Takeuchi
惇 竹内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film manufacturing device which is configured to obtain a functional film including an electromechanical conversion film by repeating the same process multiple (many) times and capable of efficiently manufacturing a thin film with target film thickness.SOLUTION: A thin film manufacturing device 50 comprises: an ink jet head 67 as liquid discharge means which forms coating patterns in a plurality of locations by discharging a functional ink multiple times for each of the plurality of locations on a substrate 1; a laser irradiation device 71 as heating and crystallizing means which obtains thin film patterns in the plurality of locations by heating and crystallizing the coating patterns in the plurality of locations each time the functional ink is discharged among the multiple times; film thickness measuring means 73 which measures film thickness of the thin film patterns in all the locations after multiple times of heating and crystallizing; and a control section 75 as correction means which corrects the amount of the functional ink to be discharged from the ink jet head 67 to each of the locations on the substrate 1 so as to obtain target film thickness on the basis of a result of measuring film thickness of the thin film patterns in all the locations by the film thickness measuring means 73.

Description

本発明は、薄膜製造装置、電気−機械変換素子、液体吐出ヘッド、画像形成装置および薄膜製造方法に関し、詳しくは、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、或いはプリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ等またはそれら複数の機能を備えた複合機等の画像形成装置に備えられる液体吐出ヘッドの圧電素子となる電気−機械変換素子、この素子を構成する電気−機械変換膜の薄膜製造装置および薄膜製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus, an electromechanical conversion element, a liquid discharge head, an image forming apparatus, and a thin film manufacturing method, and more specifically, an ink jet recording apparatus used as an image forming apparatus, a printer, a facsimile, a copying machine, or a plotter. Or an electro-mechanical conversion element to be a piezoelectric element of a liquid discharge head provided in an image forming apparatus such as a multi-function machine having a plurality of functions, and a thin film manufacturing apparatus and a thin film manufacturing apparatus for an electro-mechanical conversion film constituting the element Regarding the method.

プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ等またはそれら複数の機能を備えた複合機等の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および液体吐出ヘッドに関して、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室内のインクを加圧する圧電素子等の電気−機械変換素子とを有するものが知られている。   Nozzles for ejecting ink droplets and pressures at which the nozzles communicate with ink jet recording apparatuses and liquid ejection heads used as image forming apparatuses such as printers, facsimiles, copiers, plotters, etc., or multifunction devices having a plurality of these functions A chamber having a chamber and an electro-mechanical conversion element such as a piezoelectric element that pressurizes ink in the pressure chamber is known.

電気−機械変換素子は、例えば、下部電極上に電気−機械変換膜および上部電極を積層した構造を有する。薄膜である電気−機械変換膜は、例えば、スパッタリング法、MOCVD法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法等により製造できる。   The electro-mechanical conversion element has, for example, a structure in which an electro-mechanical conversion film and an upper electrode are stacked on a lower electrode. The electro-mechanical conversion film that is a thin film can be produced by, for example, a sputtering method, an MOCVD method, a vacuum deposition method, an ion plating method, a sol-gel method, an aerosol deposition method, or the like.

ゾルゲル法を用いた電気−機械変換膜の作製方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。ちなみに特許文献1には、(1)第1の電極上の電気−機械変換膜が設けられる部位以外の領域に、予め表面改質液をインクジェット法により塗布して表面改質を行い表面改質領域を形成する工程と、(2)前記第1の電極上の非表面改質領域とされた電気−機械変換膜が設けられる部位に、圧電体前駆体を含むゾルゲル液をインクジェット法により塗布する工程と、(3)前記電気−機械変換膜が設けられる部位に塗布したゾルゲル液塗膜を熱処理する工程と、を含み、パターン化した電気−機械変換膜を形成するという電気−機械変換膜(薄膜)の作製方法が開示されている。   A method for producing an electromechanical conversion film using a sol-gel method has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Incidentally, in Patent Document 1, (1) surface modification is performed by applying a surface modification liquid in advance to the region other than the portion where the electro-mechanical conversion film on the first electrode is provided by an inkjet method. And (2) applying a sol-gel solution containing a piezoelectric precursor to the portion where the electro-mechanical conversion film, which is a non-surface modified region on the first electrode, is provided by an inkjet method. And (3) heat-treating the sol-gel liquid coating film applied to the site where the electro-mechanical conversion film is provided, and forming an electro-mechanical conversion film patterned ( Thin film) is disclosed.

電気−機械変換膜の前駆体塗膜は薄いため、1回の処理では所定の膜厚に形成することはできない。そこで、上記(1)〜(3)の工程を必要回数(通常多数回である)繰り返すことにより、電気−機械変換膜の前駆体塗膜を積層し、所定の膜厚の電気−機械変換膜を製造するようになっている。   Since the precursor coating film of the electromechanical conversion film is thin, it cannot be formed in a predetermined film thickness by a single treatment. Therefore, by repeating the steps (1) to (3) as many times as necessary (usually many times), a precursor coating film of the electro-mechanical conversion film is laminated, and the electro-mechanical conversion film having a predetermined thickness is obtained. Is to manufacture.

一方、インクジェットプリンタの吐出量制御方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。ちなみに特許文献2には、塗布幅方向に複数のノズルを有するプリントヘッドからインク非吸収性を備えた被塗布物上にインクを吐出して該被塗布物上に膜を形成する膜形成工程と、該膜形成工程で被塗布物上に形成された膜の膜厚を前記塗布幅方向に沿って各ノズルのインク吐出位置との関連において測定して各ノズルからのインク吐出量のバラツキを検出する膜厚測定工程と、該膜厚測定工程で測定された各ノズルのインク吐出位置での膜厚と目標膜厚との相違に基づいて各ノズルからのインク吐出量を前記バラツキがなくなるように増減補正する吐出量補正工程とを、ノズル配列方向に沿うように隣接配置した複数個のプリントヘッドについて実行すると共に、前記吐出量補正工程で各ノズルのインクの吐出量を増減補正するために作成した補正データを、前記複数個のプリントヘッド毎に記憶させておくことが開示されている。   On the other hand, a discharge amount control method of an ink jet printer is known (for example, see Patent Document 2). Incidentally, Patent Document 2 discloses a film forming step of forming a film on an object to be coated by discharging ink from the print head having a plurality of nozzles in the coating width direction onto the object to be coated with ink non-absorbability. Measure the film thickness of the film formed on the coating object in the film forming process in relation to the ink discharge position of each nozzle along the coating width direction to detect variations in the ink discharge amount from each nozzle. The variation in the ink discharge amount from each nozzle based on the difference between the film thickness measurement step to be performed and the film thickness at the ink discharge position of each nozzle measured in the film thickness measurement step and the target film thickness. The ejection amount correction process for increasing / decreasing the correction is performed for a plurality of print heads arranged adjacently along the nozzle arrangement direction, and the ejection amount correcting process is performed to increase / decrease the ink ejection amount of each nozzle. The correction data, be memorized for each of the plurality of print heads is disclosed that.

しかしながら、特許文献2記載の吐出量制御方法(または制御装置)に関する技術では、例えば特許文献1のような同じ工程を繰返すことで電気−機械変換膜を得る技術に適用する場合に、効率的な薄膜製造が困難であるという問題点がある。   However, the technique relating to the discharge amount control method (or control device) described in Patent Document 2 is efficient when applied to a technique for obtaining an electro-mechanical conversion film by repeating the same process as in Patent Document 1, for example. There is a problem that it is difficult to manufacture a thin film.

すなわち、特許文献1記載の技術における上記電気−機械変換膜(薄膜)の作製方法では、前記(1)〜(3)の各工程を繰返し行って所望とする膜厚の電気−機械変換膜を得るものであるが、電気−機械変換膜の目標膜厚に対してその膜厚過剰部が、前記(1)〜(3)の各工程の少数回の繰返しで作製されることは殆どない。つまり、特許文献1記載の技術では、前記(1)〜(3)の各工程を複数(多数)回行うことにより目標膜厚とする電気−機械変換膜を得る構成であるため、複数(多数)回繰返される前記(1)〜(3)の工程ごとに膜厚測定を行うことは生産性という点からみて非効率的である。   That is, in the method for producing the electro-mechanical conversion film (thin film) in the technique described in Patent Document 1, the electro-mechanical conversion film having a desired film thickness is obtained by repeatedly performing the steps (1) to (3). Although it is obtained, the excessive film thickness portion with respect to the target film thickness of the electromechanical conversion film is hardly produced by repeating the steps (1) to (3) a few times. In other words, the technique described in Patent Document 1 is configured to obtain an electro-mechanical conversion film having a target film thickness by performing each of the steps (1) to (3) a plurality of (many) times. ) It is inefficient from the viewpoint of productivity to measure the film thickness for each of the steps (1) to (3) repeated.

そこで、本発明は、上述の事情・課題に鑑みてなされたものであり、前記特許文献1のような同じ工程を複数(多数)回繰返すことで電気−機械変換膜を含む機能性膜を得る薄膜製造装置において、効率的に目標膜厚の薄膜製造を行える薄膜製造装置を実現し提供することを主な目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described circumstances and problems, and a functional film including an electro-mechanical conversion film is obtained by repeating the same process as in Patent Document 1 a plurality of times (many times). The main object of the thin film manufacturing apparatus is to realize and provide a thin film manufacturing apparatus capable of efficiently manufacturing a thin film with a target film thickness.

上述した課題を解決するとともに上述した目的を達成するために、本発明では、以下のような特徴ある手段・発明特定事項(以下、「構成」という)を採っている。
本発明は、成膜対象物上の複数箇所毎に機能性インクを複数回吐出し、前記複数箇所に塗膜パターンを形成する液体吐出手段と、前記複数箇所の塗膜パターンを、前記機能性インクの複数回吐出毎に加熱し結晶化して前記複数箇所の薄膜パターンを得る加熱結晶化手段と、を有することを特徴とする薄膜製造装置である。
In order to solve the above-described problems and achieve the above-described object, the present invention adopts the following characteristic means / invention specific items (hereinafter referred to as “configuration”).
The present invention relates to a liquid ejecting unit that ejects a functional ink a plurality of times at a plurality of locations on a film formation target to form a coating film pattern at the plurality of locations, and the coating film pattern at the plurality of locations. And a heating and crystallization unit that heats and crystallizes each time the ink is ejected a plurality of times to obtain a thin film pattern at the plurality of locations.

本発明によれば、前記構成により、目標膜厚の薄膜製造を効率的に行うことができる。   According to the present invention, a thin film having a target film thickness can be efficiently produced with the above configuration.

電気−機械変換素子を用いた液体吐出ヘッドを例示する断面図(その1)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 1) illustrating a liquid ejection head using an electro-mechanical conversion element. 電気−機械変換素子を用いた液体吐出ヘッドを例示する断面図(その2)である。FIG. 6 is a cross-sectional view (part 2) illustrating a liquid ejection head using an electro-mechanical conversion element. 第1の実施形態に係る薄膜製造装置を例示する斜視図である。It is a perspective view which illustrates the thin film manufacturing apparatus concerning a 1st embodiment. (a)〜(c)は、それぞれ異なる方法によってSAM膜をパターニングする際の、第1の実施形態に係る薄膜製造工程を例示する模式的な断面図(その1)である。(A)-(c) is typical sectional drawing (the 1) which illustrates the thin film manufacturing process which concerns on 1st Embodiment at the time of patterning a SAM film | membrane by a respectively different method. 第1の実施形態に係る薄膜製造工程を例示する模式的な断面図(その2)である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (part 2) illustrating the thin film manufacturing process according to the first embodiment. (a)、(b)は、第1の実施形態に係る薄膜製造工程を例示する模式的な断面図(その3)である。(A), (b) is typical sectional drawing (the 3) which illustrates the thin film manufacturing process which concerns on 1st Embodiment. (a)は、第1の実施形態に係る薄膜製造工程の機能性インク塗布時を例示する模式的な図(その4)、(b)は、同膜厚測定時を例示する模式的な図(その4)である。(A) is a schematic diagram illustrating the functional ink application in the thin film manufacturing process according to the first embodiment (part 4), and (b) is a schematic diagram illustrating the same film thickness measurement. (Part 4). 第1の実施形態に係る薄膜製造工程の機能性インク塗布から機能性膜成膜終了までの工程を例示するフローチャートである。It is a flowchart which illustrates the process from functional ink application | coating of the thin film manufacturing process which concerns on 1st Embodiment to completion | finish of functional film film-forming. 第2の実施形態に係るインクジェット記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。It is a schematic partial cross-sectional front view of the mechanism part of the inkjet recording device which concerns on 2nd Embodiment. 図9の同記録装置を透視して示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing the recording apparatus of FIG. 9 in a transparent manner. (a)は、SAM膜形成部位における、(b)は、SAM膜除去部位における、それぞれ水の接触角を測定した写真である。(A) is the photograph which measured the contact angle of water in the SAM film formation site | part, (b), respectively in the SAM film removal site | part. 実施例1で得られた電気−変換素子のP−Eヒステリシス曲線を示すグラフである。3 is a graph showing a PE hysteresis curve of the electrical-converting element obtained in Example 1. FIG. (a)は、実施例2の基板上に形成された多数の薄膜パターンを例示する図、(b)は、同薄膜パターンを拡大例示する図である。(A) is a figure which illustrates many thin film patterns formed on the board | substrate of Example 2, (b) is a figure which expands and illustrates the same thin film pattern. 実施例1で得られた電気−機械変換素子の変位量の計測結果を示す実施例3のグラフである。It is a graph of Example 3 which shows the measurement result of the displacement amount of the electromechanical conversion element obtained in Example 1. (a)は、スピン工法で形成された比較例に係る電気−機械変換素子のアクチュエータ部の、(b)は、インクジェット工法で形成された実施例1に係る電気−機械変換素子のアクチュエータ部の、それぞれ片側半分の変形の様子を示す実施例3の説明図である。(A) is an actuator part of an electro-mechanical conversion element according to a comparative example formed by a spin method, and (b) is an actuator part of an electro-mechanical conversion element according to Example 1 formed by an ink-jet method. These are explanatory drawings of Example 3 which show the mode of a deformation | transformation of the one-side half, respectively. 実施例3における電気−機械変換膜(PZT膜)の膜厚分布の片側半分を示すグラフである。6 is a graph showing a half on one side of a film thickness distribution of an electro-mechanical conversion film (PZT film) in Example 3. 図16の膜厚分布形状の一例を説明するグラフおよび式である。FIG. 17 is a graph and a formula for explaining an example of a film thickness distribution shape in FIG. 16. FIG.

以下、図を参照して本発明の実施の形態(以下、「実施形態」という)および実施例を詳細に説明する。実施形態や各実施例等に亘り、同一の機能もしくは形状等を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すに留め、重複説明を避ける。なお、実施形態や実施例に記載した内容は、一形態・一実施例に過ぎず、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments (hereinafter referred to as “embodiments”) and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment and each example, components such as members and components having the same function or shape are given the same reference numerals as much as possible to avoid duplicate explanation. Note that the contents described in the embodiments and examples are only one form and one example, and the scope of the present invention is not limited thereto.

以下、本願発明において、液体吐出記録方式の「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を着弾させて画像形成を行う装置を意味する。また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与すること(単に液滴を媒体に着弾させること)をも意味する。
「液滴」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、樹脂、液体などと称されるものを含み、画像形成を行うことが可能に微細粒状化して液滴にできる全ての液体、すなわち機能性溶液(以下、「機能性インク」と言い替える)としての液滴の総称として用いる。また、「記録媒体」とは、材質を紙に限定するものではなく、OHPシート、布なども含み、液滴が付着されるものの意味であり、被記録媒体、記録紙、記録用紙、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒あるいは単に用紙などと称されるものを含むものの総称として用いる。また、画像とは2次元画像に限らず、3次元画像も含まれる。
Hereinafter, in the present invention, the “image forming apparatus” of the liquid discharge recording method forms an image by landing droplets on a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, etc. Means the device to perform. In addition, “image formation” not only applies an image having a meaning such as a character or a figure to a medium but also applies an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply applying a droplet to the medium). It also means to land on.
“Droplets” are not limited to inks, but include those called recording liquids, fixing processing liquids, resins, liquids, etc., and are droplets that are finely granulated to enable image formation. It is used as a generic term for droplets as all liquids that can be formed, that is, functional solutions (hereinafter referred to as “functional inks”). The term “recording medium” does not limit the material to paper, but also includes OHP sheets, cloth, etc., and means that the droplets adhere to it, and can be used as a recording medium, recording paper, recording paper, etc. It is used as a general term for anything from thin paper to thick paper, postcards, envelopes, or simply paper. Further, the image is not limited to a two-dimensional image, and includes a three-dimensional image.

本発明は、液滴吐出ヘッドとも呼ばれる液体吐出ヘッドおよびそれを使用した画像形成装置をも対象としている。前記画像形成装置は、一般的にはインクジェット記録装置と呼ばれているもので、以下、画像形成装置はインクジェット記録装置と称する。
この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記録媒体である普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのため、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、上述したように複数の画像形成機能を備えた複合機等の画像記録装置或いは画像形成装置として広く展開されている。
The present invention is also directed to a liquid discharge head, also called a droplet discharge head, and an image forming apparatus using the liquid discharge head. The image forming apparatus is generally called an ink jet recording apparatus. Hereinafter, the image forming apparatus is called an ink jet recording apparatus.
This ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise, high-speed printing, and the ability to use plain paper, which is an inexpensive recording medium with a high degree of ink freedom. Therefore, it is widely deployed as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, a multi-function machine having a plurality of image forming functions as described above.

インクジェット記録装置において使用する液滴吐出装置や液体吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室(吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される)と、液室内のインクを吐出する圧力発生手段とで構成されている。   A droplet discharge device or a liquid discharge head used in an ink jet recording apparatus is also referred to as a nozzle that discharges ink droplets and a liquid chamber (discharge chamber, pressurized liquid chamber, pressure chamber, ink flow path, or the like) that communicates with the nozzle. And pressure generating means for discharging ink in the liquid chamber.

上記圧力発生手段としては、電気−機械変換膜等で構成する圧電素子などの電気−機械変換素子を用いて液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もの、液室内に配設(位置を決めて設けることを意味する)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。   As the pressure generating means, an ink droplet is ejected by deforming and displacing the diaphragm forming the wall surface of the liquid chamber using an electro-mechanical conversion element such as a piezoelectric element constituted by an electro-mechanical conversion film or the like. A piezo-type, bubble that generates bubbles by boiling the ink film using an electrothermal conversion element such as a heating resistor (meaning that it is placed at a fixed position) in the liquid chamber and ejects ink droplets There is a type (thermal type).

電気−機械変換素子は、電気的入力を機械的な変形に変換するもので、構成は電気的入力を実行する上部・下部の電極対と、その間に圧電体などの膜(圧電体層)が挟まれた積層構造をもつ。圧電体にはジルコン酸チタン酸鉛(以下、「PZT」と略称する)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。   The electro-mechanical conversion element converts an electrical input into a mechanical deformation, and is composed of a pair of upper and lower electrodes that execute the electrical input, and a film (piezoelectric layer) such as a piezoelectric body between them. It has a laminated structure. As the piezoelectric body, lead zirconate titanate (hereinafter abbreviated as “PZT”) ceramics or the like is used, and these are generally referred to as metal composite oxides because they have a plurality of metal oxides as main components.

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。最近では半導体プロセスやマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(以下、「MEMS」と略記する)の進歩により、Si基板に直接、液室およ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。
本発明に係る圧力発生手段として機能する電気−機械変換素子は、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型である。
Further longitudinal vibration type utilizing d 33 direction of deformation to those of the piezoelectric type, horizontal vibration utilizing d 31 direction of deformation (bend mode) type, even there is a shear mode type or the like using a shear deformation. Recently, a thin film actuator in which a liquid chamber and a piezo element are directly formed on a Si substrate has been devised due to advances in semiconductor processes and micro electro mechanical systems (hereinafter abbreviated as “MEMS”).
Electrical functions as a pressure generating means according to the present invention - mechanical conversion element is a transverse vibration (bend mode) type utilizing d 31 direction of deformation.

(第1の実施形態)
(薄膜)
まず、第1の実施形態に係る薄膜製造装置および薄膜製造方法で製造される薄膜・薄膜パターンの一例として、電気−機械変換素子を構成する電気−機械変換膜について説明する。なお、第1の実施形態に係る薄膜製造装置および薄膜製造方法で製造可能な薄膜が電気−機械変換膜に限定されないことは言うまでもない。
(First embodiment)
(Thin film)
First, an electro-mechanical conversion film constituting an electro-mechanical conversion element will be described as an example of a thin film / thin film pattern manufactured by the thin film manufacturing apparatus and the thin film manufacturing method according to the first embodiment. In addition, it cannot be overemphasized that the thin film which can be manufactured with the thin film manufacturing apparatus and thin film manufacturing method which concern on 1st Embodiment is not limited to an electromechanical conversion film.

電気−機械変換素子は、例えば、インクジェット記録装置において使用する液体吐出ヘッドの一例としてのインクジェットヘッドの構成部品として用いられる。まず、図1および図2を参照して、液体吐出ヘッド9について説明する。図1は、単一の液体吐出ヘッド9の幾分模式的かつ端面図的な断面図、図2は、液体吐出ヘッド9を複数個配置した構成例の幾分模式的かつ端面図的な断面図である。なお、両図中には図の簡明化のため液体供給手段、流路、流体抵抗についての図示を省略している。   The electro-mechanical conversion element is used as, for example, a component of an ink jet head as an example of a liquid discharge head used in an ink jet recording apparatus. First, the liquid discharge head 9 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a somewhat schematic cross-sectional view of a single liquid discharge head 9, and FIG. 2 is a somewhat schematic cross-sectional view of a configuration example in which a plurality of liquid discharge heads 9 are arranged. FIG. In both figures, illustration of liquid supply means, flow paths, and fluid resistance is omitted for simplification of the figures.

図1に示す液体吐出ヘッド9は、ノズル板10と、液室基板20と、振動板30と、電気−機械変換素子40とを有する。ノズル板10には、インク滴を吐出するノズル11が形成されている。ノズル板10、液室基板20および振動板30により、ノズル11に連通する圧力室21(液室、インク流路、加圧液室、吐出室等とも呼ばれる)が形成されている。振動板30は、インク流路や圧力室21の壁面の一部を形成している。圧力室21は、ノズル板10に圧力室基板20を配置することで空間として形成されている。   The liquid discharge head 9 illustrated in FIG. 1 includes a nozzle plate 10, a liquid chamber substrate 20, a vibration plate 30, and an electromechanical conversion element 40. The nozzle plate 10 is formed with nozzles 11 that eject ink droplets. The nozzle plate 10, the liquid chamber substrate 20, and the vibration plate 30 form a pressure chamber 21 (also referred to as a liquid chamber, an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a discharge chamber, etc.) that communicates with the nozzle 11. The diaphragm 30 forms part of the wall surface of the ink flow path and the pressure chamber 21. The pressure chamber 21 is formed as a space by disposing the pressure chamber substrate 20 on the nozzle plate 10.

電気−機械変換素子40は、密着層41と、下部電極42(白金族電極とも呼ばれる)と、電気−機械変換膜43と、上部電極44とを含んで構成され、圧力室21内のインク(図示せず)を加圧し吐出するための圧力発生手段として機能する。電気−機械変換素子40は、後述する薄膜製造装置および薄膜製造方法で作製した特有な膜厚形状の電気−機械変換膜43を含む。   The electro-mechanical conversion element 40 includes an adhesion layer 41, a lower electrode 42 (also referred to as a platinum group electrode), an electro-mechanical conversion film 43, and an upper electrode 44, and ink ( It functions as a pressure generating means for pressurizing and discharging (not shown). The electro-mechanical conversion element 40 includes an electro-mechanical conversion film 43 having a specific film thickness formed by a thin film manufacturing apparatus and a thin film manufacturing method described later.

電気−機械変換素子40は、振動板30上に酸化物電極とも呼ばれる密着層41が形成されていて、密着層41上に第1の電極となる下部電極42が形成されている。この下部電極42上に電気−機械変換膜43が形成され、この電気−機械変換膜43上に第2の電極となる上部電極44が形成されている。すなわち、第1の電極となる下部電極42と第2の電極となる上部電極44との間に電気−機械変換膜43が介装(部材間に備え付けることを意味する)されている。   In the electromechanical conversion element 40, an adhesion layer 41, which is also referred to as an oxide electrode, is formed on the vibration plate 30, and a lower electrode 42 serving as a first electrode is formed on the adhesion layer 41. An electro-mechanical conversion film 43 is formed on the lower electrode 42, and an upper electrode 44 serving as a second electrode is formed on the electro-mechanical conversion film 43. That is, the electromechanical conversion film 43 is interposed (meaning that it is provided between the members) between the lower electrode 42 serving as the first electrode and the upper electrode 44 serving as the second electrode.

密着層41は、例えばTi、TiO、TiN、Ta、Ta、Ta等からなる層であり、下部電極42と振動板30との密着性を向上する機能を有する。但し、密着層41は、電気−機械変換素子40の必須の構成要素ではない。 The adhesion layer 41 is a layer made of, for example, Ti, TiO 2 , TiN, Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 or the like, and has a function of improving the adhesion between the lower electrode 42 and the diaphragm 30. However, the adhesion layer 41 is not an essential component of the electro-mechanical conversion element 40.

電気−機械変換素子40において、下部電極42と上部電極44との間に電圧が印加(電圧を加えることを意味する)されると、電気−機械変換膜43が機械的に変位する。電気−機械変換膜43の機械的変位にともなって、ノズル板10と対向側に配置され圧力室21の壁面を構成する振動板30が例えば横方向(d31方向)に変形変位し、圧力室21内のインクを加圧する。これにより、ノズル11から機能性インクの一例としてのインク滴を吐出させることができる。 In the electro-mechanical conversion element 40, when a voltage is applied between the lower electrode 42 and the upper electrode 44 (meaning that a voltage is applied), the electro-mechanical conversion film 43 is mechanically displaced. Electrical - along with the mechanical displacement of the transducer layer 43, deformation displacement in the vibration plate 30, for example, laterally disposed on the nozzle plate 10 and the opposite side constituting the walls of the pressure chambers 21 (d 31 direction), the pressure chamber The ink in 21 is pressurized. Thereby, ink droplets as an example of functional ink can be ejected from the nozzle 11.

アクチュエータ部35は、下部電極42と上部電極44との間に電圧が印加されたときに実際に変形変位する駆動部分であり、基板としての振動板30から電気−機械変換膜43としてのPZT膜を挟んで構成される上部電極44までの積層構造体部分を示す。アクチュエータ部35は、後述するとおり、アクチュエータ部35の短手方向の断面におけるアクチュエータ部35の端部からその中央部に向かって徐々に大きくなる剛性および膜厚を有する。さらに具体的には、アクチュエータ部35は、その凸部が上部電極44に向いた略メニスカス凸レンズ形状となっている。
上記した略メニスカス凸レンズ形状の電気−機械変換膜43は、後述する薄膜製造装置および薄膜製造方法で作製した場合(ゾルゲル液(PZT前駆体溶液)を液滴吐出法としてのインクジェット法で塗布した場合)の外周表面の膜形状である。ゾルゲル液(PZT溶液)をスピンコート塗工などにより作製した膜形状では、略平板状の厚さの膜形状となる。
The actuator portion 35 is a drive portion that is actually deformed and displaced when a voltage is applied between the lower electrode 42 and the upper electrode 44, and a PZT film as an electro-mechanical conversion film 43 from the diaphragm 30 as a substrate. The laminated structure part to the upper electrode 44 comprised on both sides is shown. As will be described later, the actuator part 35 has a rigidity and a film thickness that gradually increase from the end part of the actuator part 35 in the cross section in the short direction of the actuator part 35 toward the center part thereof. More specifically, the actuator portion 35 has a substantially meniscus convex lens shape with the convex portion facing the upper electrode 44.
The above-described electro-mechanical conversion film 43 having a substantially meniscus convex lens shape is produced by a thin film production apparatus and a thin film production method described later (when a sol-gel solution (PZT precursor solution) is applied by an inkjet method as a droplet discharge method) ) On the outer peripheral surface. In the film shape produced by spin coating or the like using a sol-gel solution (PZT solution), the film shape has a substantially flat plate thickness.

なお、図2に示すように、液体吐出ヘッド9を複数個並設し、液体吐出ヘッドを構成することもできる。   As shown in FIG. 2, a plurality of liquid discharge heads 9 can be arranged in parallel to form a liquid discharge head.

電気−機械変換膜43の材料としては、例えば、PZTを用いることができる。PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体である。例えば、PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。PbZrOとPbTiOの比率によって、PZTの特性が異なる。 As a material of the electromechanical conversion film 43, for example, PZT can be used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ). For example, the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and the chemical formula indicates Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 , PZT generally indicated as PZT (53/47), etc. Can be used. The characteristics of PZT vary depending on the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 .

電気−機械変換膜43としてPZTを使用する場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物を使用し、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ、PZT前駆体溶液を作製する。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物の混合量は、所望のPZTの組成(PbZrOとPbTiOの比率)に応じて、当業者が適宜選択できるものである。 When PZT is used as the electro-mechanical conversion film 43, lead acetate, a zirconium alkoxide compound, and a titanium alkoxide compound are used as starting materials and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to prepare a PZT precursor solution. The mixing amount of the lead acetate, zirconium alkoxide compound, and titanium alkoxide compound can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the desired composition of PZT (ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 ).

なお、金属アルコキシド化合物は、大気中の水分により容易に分解する。そのため、PZT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等の安定剤を添加してもよい。   Note that the metal alkoxide compound is easily decomposed by moisture in the atmosphere. Therefore, stabilizers such as acetylacetone, acetic acid and diethanolamine may be added to the PZT precursor solution as stabilizers.

電気−機械変換膜43の材料として、例えば、チタン酸バリウム等を用いても構わない。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が可能である。   As a material of the electromechanical conversion film 43, for example, barium titanate or the like may be used. In this case, it is possible to prepare a barium titanate precursor solution by using barium alkoxide and a titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in a common solvent.

これら材料は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr B=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、と表され、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。 These materials are described by the general formula ABO 3 and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. The specific description is expressed as (Pb 1-x , Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb 1-x , Sr) (Zr, Ti) O 3 , which is the same as Pb of the A site. This is a case where the part Ba or Sr is substituted. 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.

下部電極42の材料としては、高い耐熱性を有し、下記に示すアルカンチオールとの反応により、SAM膜を形成する金属等を用いることができる。具体的には、低い反応性を有するルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)等の白金族金属や、これら白金族金属を含む合金材料等を用いることができる。   As the material of the lower electrode 42, a metal having high heat resistance and forming a SAM film by reaction with alkanethiol shown below can be used. Specifically, platinum group metals such as ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) and platinum (Pt) having low reactivity, and these platinum group metals An alloy material containing can be used.

また、これらの金属層を作製した後に、導電性酸化物層を積層して使用することも可能である。導電性酸化物としては、具体的には、化学式ABOで記述され、A=Sr、Ba、Ca、La、 B=Ru、Co、Ni、を主成分とする複合酸化物があり、SrRuOやCaRuO、これらの固溶体である(Sr1−x Ca)Oのほか、LaNiOやSrCoO、更にはこれらの固溶体である(La, Sr)(Ni1−y Co)O (y=1でもよい)が挙げられる。それ以外の酸化物材料として、IrO、RuOも挙げられる。 Moreover, after producing these metal layers, it is also possible to laminate | stack and use a conductive oxide layer. As the conductive oxide, specifically, there is a composite oxide described by the chemical formula ABO 3 and having A = Sr, Ba, Ca, La, B = Ru, Co, Ni as main components, and SrRuO 3 And CaRuO 3 , (Sr 1-x Ca x ) O 3 which is a solid solution thereof, LaNiO 3 and SrCoO 3 , and further, (La, Sr) (Ni 1-y Co y ) O 3 which is a solid solution thereof. (Y may be 1). Other oxide materials include IrO 2 and RuO 2 .

下部電極42は、例えば、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜法等の方法により作製することができる。下部電極42は、電気−機械変換素子40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、その下部にある振動板30(後述する図4等に示す基板1に相当する)は絶縁体または表面が絶縁処理された導体を用いることができる。   The lower electrode 42 can be produced by a method such as a vacuum film forming method such as sputtering or vacuum deposition. Since the lower electrode 42 is electrically connected as a common electrode when a signal is input to the electro-mechanical conversion element 40, the diaphragm 30 (corresponding to the substrate 1 shown in FIG. A conductor whose body or surface is insulated can be used.

振動板30の具体的な材料としては、例えば、シリコン(Si)を用いることができる。また、振動板30の表面を絶縁処理する具体的な材料としては、例えば、厚さ約数百nm〜数μm程度のシリコン酸化膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜またはこれらの膜を積層した膜等を用いることができる。また、熱膨張差を考慮し、酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜等のセラミック膜を用いてもよい。振動板30の表面を絶縁処理するシリコン系絶縁膜は、CVD法やシリコンの熱酸化処理等により形成できる。また、振動板30の表面を絶縁処理する酸化アルミニウム膜等の金属酸化膜は、スパッタリング法等により形成できる。   As a specific material of the diaphragm 30, for example, silicon (Si) can be used. In addition, as a specific material for insulating the surface of the diaphragm 30, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film having a thickness of about several hundred nm to several μm, or a stack of these films is stacked. A film or the like can be used. In consideration of a difference in thermal expansion, a ceramic film such as an aluminum oxide film or a zirconia film may be used. The silicon-based insulating film that insulates the surface of the diaphragm 30 can be formed by a CVD method, a thermal oxidation process of silicon, or the like. Further, a metal oxide film such as an aluminum oxide film for insulating the surface of the vibration plate 30 can be formed by a sputtering method or the like.

本実施形態によれば、電気−機械変換素子40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ものとして形成でき、その後の圧力室21形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル11を有するノズル板10を接合することで液体吐出ヘッド9が構成できる。   According to the present embodiment, the electro-mechanical conversion element 40 can be formed with a simple manufacturing process and performance equivalent to that of bulk ceramics, and etching removal from the back surface for forming the pressure chamber 21 thereafter. The liquid discharge head 9 can be configured by joining the nozzle plate 10 having the nozzles 11.

電気−機械変換素子40の一使用例として液体吐出ヘッド9を説明したが、本発明の電気−機械変換素子を備えた液体吐出ヘッドは、前記した液体吐出ヘッド9に限らず、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクタ用2軸スキャナ、輸液ポンプなどの用途においても使用可能である。   The liquid discharge head 9 has been described as an example of use of the electro-mechanical conversion element 40. However, the liquid discharge head including the electro-mechanical conversion element of the present invention is not limited to the liquid discharge head 9 described above, but a micropump, super It can also be used in applications such as sonic motors, acceleration sensors, two-axis scanners for projectors, and infusion pumps.

(薄膜製造装置)
図3を参照して、第1の実施形態に係る薄膜製造装置の構成について説明する。図3は、第1の実施形態を示す薄膜製造装置の外観斜視図である。
図3に示す薄膜製造装置50において、架台60上には、Y軸駆動手段61が設置されている。Y軸駆動手段61上には、基板1を搭載するステージ62が、Y軸方向に駆動可能なように設置されている。
(Thin film manufacturing equipment)
With reference to FIG. 3, the structure of the thin film manufacturing apparatus which concerns on 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 3 is an external perspective view of the thin film manufacturing apparatus showing the first embodiment.
In the thin film manufacturing apparatus 50 shown in FIG. 3, Y-axis driving means 61 is installed on the gantry 60. On the Y-axis driving means 61, a stage 62 on which the substrate 1 is mounted is installed so as to be driven in the Y-axis direction.

ステージ62には、通常、真空または静電気等を利用した図示しない吸着手段が付随して設置されており、これにより基板1を固定することができる。また、ステージ62に、Z軸を中心に回転する図示しない駆動手段を搭載し、後述するインクジェットヘッド67、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73と、基板1との相対的な傾きを補正できる構成としてもよい。   The stage 62 is usually provided with a suction means (not shown) using vacuum or static electricity, whereby the substrate 1 can be fixed. In addition, a driving means (not shown) that rotates around the Z axis is mounted on the stage 62, and the relative inclination between the inkjet head 67, the laser irradiation device 71, the film thickness measuring means 73, which will be described later, and the substrate 1 can be corrected. It is good also as a structure.

架台60上には、X軸駆動手段63を支持するためのX軸支持部材64が設置されている。X軸駆動手段63には、Z軸駆動手段65が設置されている。更に、Z軸駆動手段65上には、ヘッドベース66が取り付けられ、X軸およびZ軸方向に移動できるように構成されている。   An X-axis support member 64 for supporting the X-axis drive means 63 is installed on the gantry 60. The X-axis drive unit 63 is provided with a Z-axis drive unit 65. Further, a head base 66 is mounted on the Z-axis driving means 65 and is configured to move in the X-axis and Z-axis directions.

Z軸駆動手段65は、後述するインクジェットヘッド67と基板1との距離を制御することができる。ヘッドベース66の上には、機能性インク(例えば、PZT前駆体溶液)を吐出させるインクジェットヘッド67が搭載されている。インクジェットヘッド67には、各インクタンク68から図示しないインク供給用パイプを介して機能性インクが供給される。
インクジェットヘッド67は、成膜対象物の一例としての基板1上の複数箇所毎に機能性インク(例えば、PZT前駆体溶液)を複数回吐出し、複数箇所に塗膜(例えば、PZT前駆体塗膜)パターンを形成する液体吐出手段として機能する。
The Z-axis driving unit 65 can control the distance between an inkjet head 67 and a substrate 1 described later. On the head base 66, an ink jet head 67 that discharges functional ink (for example, PZT precursor solution) is mounted. Functional ink is supplied to the inkjet head 67 from each ink tank 68 via an ink supply pipe (not shown).
The inkjet head 67 ejects a functional ink (for example, PZT precursor solution) a plurality of times at a plurality of locations on the substrate 1 as an example of a film formation target, and a coating film (for example, a PZT precursor coating) at a plurality of locations. It functions as a liquid discharge means for forming a (film) pattern.

X軸駆動手段63には、他のZ軸駆動手段69が取り付けられ、更にZ軸駆動手段69には支持部材70が取り付けられている。支持部材70には、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73が取り付けられている。Z軸駆動手段69は、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73と、基板1との距離を制御することができる。
レーザ照射装置71は、機能性インクを加熱結晶化する加熱結晶化手段として機能する。膜厚測定手段73は、レーザ照射装置71による複数回(以下、通常、多数回であるため多数回と言い替える)の加熱結晶化後における薄膜(例えば、PZT膜)パターンの膜厚を測定する機能を有する。
膜厚測定手段73としては、例えば、接触式の表面粗さ計または非接触式のもの等を用いることができるが、具体的な構成例については後述する。
Other Z-axis drive means 69 is attached to the X-axis drive means 63, and a support member 70 is attached to the Z-axis drive means 69. A laser irradiation device 71 and a film thickness measuring unit 73 are attached to the support member 70. The Z-axis driving unit 69 can control the distance between the laser irradiation device 71 and the film thickness measuring unit 73 and the substrate 1.
The laser irradiation device 71 functions as a heat crystallization unit that heat-crystallizes the functional ink. The film thickness measuring means 73 has a function of measuring the film thickness of a thin film (for example, PZT film) pattern after heat crystallization by a laser irradiation device 71 a plurality of times (hereinafter, referred to as “multiple times because it is usually many times”). Have
As the film thickness measuring means 73, for example, a contact type surface roughness meter or a non-contact type can be used, and a specific configuration example will be described later.

なお、図3の薄膜製造装置50では、ステージ62がY方向の1軸の自由度を有し、インクジェットヘッド67、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73がX方向の1軸の自由度を有する構成を示しているが、この形態には限定されない。例えば、ステージ62がXおよびY方向の2軸の自由度を有し、インクジェットヘッド67、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73を固定する構成であってもよい。
また、ステージ62がY方向の1軸の自由度を有し、インクジェットヘッド67、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73をY軸方向に一列に並べる構成であってもよい。
In the thin film manufacturing apparatus 50 of FIG. 3, the stage 62 has a uniaxial degree of freedom in the Y direction, and the inkjet head 67, the laser irradiation device 71, and the film thickness measuring unit 73 have a uniaxial degree of freedom in the X direction. Although the structure which has is shown, it is not limited to this form. For example, the stage 62 may have a biaxial degree of freedom in the X and Y directions, and the inkjet head 67, the laser irradiation device 71, and the film thickness measuring unit 73 may be fixed.
Further, the stage 62 may have a uniaxial degree of freedom in the Y direction, and the inkjet head 67, the laser irradiation device 71, and the film thickness measuring unit 73 may be arranged in a line in the Y axis direction.

また、基板1を固定し、インクジェットヘッド67、レーザ照射装置71および膜厚測定手段73がXおよびY方向の2軸の自由度を有する構成であってもよい。更には、X軸およびY軸は、X軸およびY軸ベクトルにより、1平面を表現できれば直交する必要はなく、例えば、X軸ベクトルとY軸ベクトルは30度、45度、60度の角度を有していてもよい。   Alternatively, the substrate 1 may be fixed, and the inkjet head 67, the laser irradiation device 71, and the film thickness measuring unit 73 may have a biaxial degree of freedom in the X and Y directions. Furthermore, the X axis and the Y axis need not be orthogonal if one plane can be expressed by the X axis and the Y axis vector. For example, the X axis vector and the Y axis vector have angles of 30 degrees, 45 degrees, and 60 degrees. You may have.

なお、本実施形態では単一のレーザ照射装置71によって機能性インクを加熱結晶化するものであるが、これに限らない。すなわち、加熱手段として機能する連続照射レーザ装置(後述するSAM膜を消失させないで、かつ、下部電極42の昇温を500℃以下にとどめることにより機能性インクを熱分解することが可能なレーザ光を照射する)と、加熱結晶化手段として機能するパルス照射レーザ装置(熱分解された機能性インク結晶化させる(大体700℃程度)程度のレーザ光を照射する)との2つに機能分離して構成するようにしてもよい。   In the present embodiment, functional ink is heated and crystallized by a single laser irradiation device 71, but the present invention is not limited to this. That is, a continuous irradiation laser device functioning as a heating means (laser light capable of thermally decomposing functional ink by keeping the temperature of the lower electrode 42 below 500 ° C. without losing the SAM film described later. ) And a pulse irradiation laser device that functions as a heat crystallization means (irradiates a laser beam with a temperature of about 700 ° C. for thermal decomposition). You may make it comprise.

薄膜製造装置50は、図7に示す制御部75を有し、インクジェットヘッド67の機能性インクの吐出条件、レーザ照射装置71のレーザ照射条件、および膜厚測定手段73の測定条件、Y軸駆動手段61、X軸駆動手段63、Z軸駆動手段65および69の各駆動源等を制御することができる。制御部75は、制御部75へユーザからの必要な指示を与えたり、制御部75を含め前記制御対象要素の状態等を把握するための、コンピュータとしてのパソコン76と接続されている。   The thin film manufacturing apparatus 50 includes a control unit 75 shown in FIG. 7, and discharges functional ink of the inkjet head 67, laser irradiation conditions of the laser irradiation apparatus 71, measurement conditions of the film thickness measuring unit 73, and Y-axis driving. Each drive source of the means 61, the X-axis drive means 63, the Z-axis drive means 65 and 69, etc. can be controlled. The control unit 75 is connected to a personal computer 76 as a computer for giving necessary instructions from the user to the control unit 75 and grasping the state of the control target elements including the control unit 75.

制御部75は、例えばCPU、ROM、RAM、不揮発性メモリ、メインメモリ等を含んで構成されている。制御部75の各種機能は、ROM等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現される。但し、制御部75の一部または全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。   The controller 75 includes, for example, a CPU, ROM, RAM, nonvolatile memory, main memory, and the like. Various functions of the control unit 75 are realized by reading a control program recorded in a ROM or the like into the main memory and executing it by the CPU. However, a part or all of the control unit 75 may be realized only by hardware.

また、制御部75は、物理的に複数の装置により構成されてもよい。RAMや不揮発性メモリ等の記録部には、機能性インクの結晶状態や、膜厚の測定結果としての膜厚データ、或いはレーザの最適な照射条件等を記録することができる。例えば、本発明に係る補正手段等は、制御部75により実現可能である。制御部75の一部機能、あるいは全部をパソコン76に与えることも可能である。   Further, the control unit 75 may be physically configured by a plurality of devices. In a recording unit such as a RAM or a non-volatile memory, the crystalline state of the functional ink, the film thickness data as the film thickness measurement result, the optimum laser irradiation condition, or the like can be recorded. For example, the correction means according to the present invention can be realized by the control unit 75. It is also possible to give a part or all of the control unit 75 to the personal computer 76.

(薄膜製造方法)
次に、第1の実施形態に係る薄膜製造方法について説明する。ここでは、薄膜として、図1に示した電気−機械変換膜(圧電体層とも呼ばれる)43を製造する例を説明する。
(Thin film manufacturing method)
Next, the thin film manufacturing method according to the first embodiment will be described. Here, an example of manufacturing the electro-mechanical conversion film (also referred to as a piezoelectric layer) 43 shown in FIG. 1 as a thin film will be described.

(ゾルゲル法による電気−機械変換膜の形成)
以下、ゾルゲル法による電気−機械変換膜の形成について述べる。
電気−機械変換膜がPZTの場合、一部上述したように出発材料に酢酸鉛、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る。この均一溶液を、機能性インクの一例としてのPZT前駆体溶液またはゾルゲル液とも呼ぶ。
(Formation of electro-mechanical conversion film by sol-gel method)
Hereinafter, formation of the electromechanical conversion film by the sol-gel method will be described.
When the electromechanical conversion film is PZT, as described above, lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound are used as starting materials, and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. This uniform solution is also called a PZT precursor solution or sol-gel solution as an example of functional ink.

下地基板全面にPZT膜を得る場合、スピンコート法などの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解(これら合わせて「加熱」ともいう)、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。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。
液体吐出ヘッドの電気−機械変換素子(圧電素子)として用いる場合、このPZT膜の膜厚は1〜2μmが要求される。前述の方法でこの膜厚を得るには十数回、前述の工程を繰り返す。
When a PZT film is obtained on the entire surface of the underlying substrate, a coating film is formed by a solution coating method such as a spin coating method, and each of the solvent drying, thermal decomposition (also referred to as “heating”) and crystallization heat treatment is performed. It is obtained with. 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.
When used as an electro-mechanical conversion element (piezoelectric element) of a liquid discharge head, the thickness of the PZT film is required to be 1 to 2 μm. In order to obtain this film thickness by the above method, the above steps are repeated ten times.

(ゾルゲル法によるパターン化した電気−機械変換膜の形成)
ゾルゲル法によるパターン化した電気−機械変換膜の形成について述べる。
(1)先ず、下地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。これは、アルカンチオールの特定金属上に自己配列する現象である。
(2)白金族金属にチオールで、撥液膜としての自己組織化単分子膜(Self−assembled Monolayer:以下、「SAM膜」と略記する)を形成する。
(3)第1の電極としての下部電極にPt(白金)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(撥水性)になる。
(4)周知のフォトリソグラフィ・エッチングにより、前記SAM膜をパターニングする。
(5)レジスト剥離後も、パターン化SAM膜は残っているので、この部位は疎水性になる。一方、SAM膜を除去した部位は白金表面なので親水性になる。
なお、上記(1)〜(5)までの処理工程は、第1の電極としての下部電極に部分的に表面改質を行う表面改質工程ともいう。
(Formation of patterned electro-mechanical conversion film by sol-gel method)
The formation of a patterned electro-mechanical conversion film by the sol-gel method will be described.
(1) First, the PZT precursor solution with controlled wettability of the base substrate is applied separately. This is a phenomenon of self-arrangement on a specific metal of alkanethiol.
(2) A self-assembled monomolecular film (Self-assembled Monolayer: hereinafter abbreviated as “SAM film”) is formed as a liquid repellent film with thiol on a platinum group metal.
(3) Pt (platinum) is used for the lower electrode as the first electrode, and the entire surface is subjected to SAM treatment. Since an alkyl group is arranged on the SAM film, it becomes hydrophobic (water repellency).
(4) The SAM film is patterned by known photolithography etching.
(5) Since the patterned SAM film remains even after the resist is peeled off, this portion becomes hydrophobic. On the other hand, the portion from which the SAM film is removed becomes hydrophilic because it is a platinum surface.
The processing steps (1) to (5) are also referred to as a surface modification step in which the surface modification is partially performed on the lower electrode as the first electrode.

(6)前記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。表面エネルギーのコントラストにより、塗布領域は親水性の領域のみとなる。
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。ドクターブレード塗工でもよいし、またディップコート塗工でもよい。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法による塗工でもよい。同様に凸版印刷でも可である。
(6) The PZT precursor solution is applied separately using the surface energy contrast. Due to the contrast of the surface energy, the coated area is only a hydrophilic area.
Depending on the degree of contrast, the PZT precursor solution may be applied separately in a pattern even when applied over the entire surface by spin coating. Doctor blade coating or dip coating may be used. When it is desired to reduce the consumption of the PZT precursor solution, coating by an ink jet method may be used. Similarly, letterpress printing is also possible.

(SAM膜のパターニング)
図4を参照して、3種類の方法でアルカンチオールを用いてSAM膜をパターニング形成する工程を説明する。図4(a)、図4(b)、図4(c)は、それぞれ異なる方法によって、アルカンチオールを用いてSAM膜をパターニングする際の工程を示す模式的な断面図である。図4(a)、図4(b)、図4(c)の左横縦に示すA〜D、A1〜D1、A2〜D2は上記各図に示す工程の進行順序を示している。
(SAM film patterning)
With reference to FIG. 4, the process of patterning the SAM film using alkanethiol by three kinds of methods will be described. FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are schematic cross-sectional views showing steps in patterning the SAM film using alkanethiol by different methods. A to D, A1 to D1, and A2 to D2 shown in the left horizontal direction of FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C indicate the progression order of the steps shown in the above drawings.

図4(a)、図4(b)、図4(c)に示すように、図1に示した下部電極42に一部相当する部位となる基板1の最表面はいうまでもなく、基板1がチオールとの反応性に優れた白金であるものとして説明する(A、A1、A2工程に共通)。
なお、図4(a)のAおよび図5のDにのみ、括弧を付して下部電極の符号42を併記することにより、下部電極42が基板1の一部に相当する部位となることを示すものとする。
As shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, it goes without saying that the outermost surface of the substrate 1 is a portion corresponding to a part of the lower electrode 42 shown in FIG. It is assumed that 1 is platinum excellent in reactivity with thiol (common to steps A, A1, and A2).
Only in A of FIG. 4A and D of FIG. 5, the lower electrode 42 becomes a part corresponding to a part of the substrate 1 by adding parentheses and adding the reference numeral 42 of the lower electrode. Shall be shown.

アルカンチオールは分子鎖長により反応性や疎水(撥水)性が異なるが、通常、炭素数6〜18(C〜C18)の分子を、一般的な有機溶媒であるアルコール、アセトン、トルエンなどに溶解させて作製する。通常、アルカンチオールの濃度は、数モル/リットル程度である。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、SAM膜2を基板1上における下部電極42の白金表面上に形成できる(図4(a)のB工程、図4(c)のB2工程参照)。以下、SAM膜2を基板1上における下部電極42の白金表面上に形成することを、「SAM処理」ともいう。 Alkanethiol has different reactivity and hydrophobicity (water repellency) depending on the molecular chain length. Usually, a molecule having 6 to 18 carbon atoms (C 6 to C 18 ) is converted into a common organic solvent such as alcohol, acetone or toluene. It is prepared by dissolving in etc. Usually, the concentration of alkanethiol is about several moles / liter. After immersing the substrate 1 in this solution and taking it out after a predetermined time, the SAM film 2 can be formed on the platinum surface of the lower electrode 42 on the substrate 1 by replacing and washing the excess molecules with a solvent and drying. (See B process in FIG. 4A and B2 process in FIG. 4C). Hereinafter, forming the SAM film 2 on the platinum surface of the lower electrode 42 on the substrate 1 is also referred to as “SAM treatment”.

図4(a)のC工程では、PZT前駆体を形成する部分のSAM膜2を除去するために、また必要部分のSAM膜2を保護するために、フォトリソグラフィによりフォトレジスト層3をパターニング形成し、その後、ドライエッチングによりSAM膜2を除去し、加工に用いたレジストを除去してSAM膜2のパターニングを終える。これにより、基板1上における下部電極42の表面上に所定パターンのSAM膜2が形成される(同図のD工程参照)。   In step C of FIG. 4A, the photoresist layer 3 is patterned by photolithography in order to remove the SAM film 2 where the PZT precursor is to be formed and to protect the SAM film 2 where necessary. Then, the SAM film 2 is removed by dry etching, the resist used for processing is removed, and the patterning of the SAM film 2 is completed. As a result, the SAM film 2 having a predetermined pattern is formed on the surface of the lower electrode 42 on the substrate 1 (see step D in the figure).

基板1上における下部電極42の表面のSAM膜2が形成されている領域は、疎水性となる。一方、SAM膜2が除去されて下部電極42の表面が露出している領域は、親水性となる。この表面エネルギーのコントラストを利用して、下記で詳述するPZT前駆体溶液の塗り分けが可能となる。   The region where the SAM film 2 is formed on the surface of the lower electrode 42 on the substrate 1 is hydrophobic. On the other hand, the region where the surface of the lower electrode 42 is exposed after the SAM film 2 is removed becomes hydrophilic. By utilizing this surface energy contrast, it becomes possible to coat the PZT precursor solution described in detail below.

一方、図4(b)のB1工程では、先に、PZT前駆体を形成する部分にフォトレジスト層3のパターンを形成し、その後、SAM膜2のパターニング処理を行う。SAM処理後の状態は、フォトレジスト層3上にはSAM膜2は形成せず(同図のC1工程参照)、フォトレジスト層3を除去すればSAM膜2のパターニングを終える。   On the other hand, in the B1 step of FIG. 4B, the pattern of the photoresist layer 3 is first formed on the portion where the PZT precursor is to be formed, and then the SAM film 2 is patterned. In the state after the SAM treatment, the SAM film 2 is not formed on the photoresist layer 3 (see step C1 in FIG. 1), and the patterning of the SAM film 2 is completed when the photoresist layer 3 is removed.

図4(c)のB2工程では、先述の図4(a)のB工程と同じ工程を経て、SAM膜2を基板1上における下部電極42の白金表面上に形成し、フォトマスク4を介して紫外線を照射(UV光露光)することにより、未露光部のSAM膜2が残り、露光部のSAM膜2が消失する。これにより、基板1上における下部電極42の表面上に所定パターンのSAM膜2が形成される。   In the B2 process of FIG. 4C, the SAM film 2 is formed on the platinum surface of the lower electrode 42 on the substrate 1 through the same process as the B process of FIG. By irradiating with ultraviolet rays (UV light exposure), the unexposed SAM film 2 remains and the exposed SAM film 2 disappears. As a result, the SAM film 2 having a predetermined pattern is formed on the surface of the lower electrode 42 on the substrate 1.

(電気−機械変換膜の形成)
次に、基板1上における下部電極42の表面上に、電気−機械変換膜43となるPZT膜7を形成する。なお、PZT膜7が機能性膜の一例としての電気−機械変換膜43に相当することを示すために、図5のF、D’、E’、F’に、括弧を付して電気−機械変換膜の符号43を併記することとする。
上述した図4(a)のD工程、図4(b)のD1工程、図4(c)のD2工程の後に、図5のE工程に示すように、上述したPZT前駆体溶液をSAM膜2のパターン化がなされた親水部5に塗布する工程を行う。図5のE工程に示すように、選択したインクジェット法によってPZT前駆体溶液をパターン化された親水部5へ塗布し、パターン化したPZT前駆体塗膜6を形成する。
その後、通常のゾルゲルプロセスに従って熱処理を行う。パターン化PZT前駆体塗膜6の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は消失し、基板1の白金表面上にPZT膜7のみが成膜される(図5のF工程参照)。
(Formation of electro-mechanical conversion film)
Next, the PZT film 7 to be the electro-mechanical conversion film 43 is formed on the surface of the lower electrode 42 on the substrate 1. In order to show that the PZT film 7 corresponds to an electro-mechanical conversion film 43 as an example of a functional film, parentheses are added to F, D ′, E ′, and F ′ in FIG. The reference numeral 43 of the mechanical conversion film is also shown.
After the step D in FIG. 4 (a), the step D1 in FIG. 4 (b), and the step D2 in FIG. 4 (c), the PZT precursor solution described above is applied to the SAM film as shown in step E in FIG. The process of apply | coating to the hydrophilic part 5 made into 2 patterning is performed. As shown in step E of FIG. 5, a PZT precursor solution is applied to the patterned hydrophilic portion 5 by a selected ink jet method to form a patterned PZT precursor coating film 6.
Thereafter, heat treatment is performed according to a normal sol-gel process. The heat treatment temperature of the patterned PZT precursor coating 6 is such that the SAM film 2 disappears by high temperature treatment such as organic combustion temperature: 500 ° C., PZT crystallization temperature: 700 ° C., and only the PZT film 7 is formed on the platinum surface of the substrate 1. Is formed (see step F in FIG. 5).

2回目以降の工程は以下の理由から簡便化できる(図5のD’、E’、F’工程参照)。SAM膜は酸化物薄膜上には形成されない。このため、フォトリソグラフィ工程や露光の工程を必要としない第1の処理によりPZT膜の無い(露出している)白金膜上のみにSAM膜2が形成される(図5のD’工程参照)。   The second and subsequent steps can be simplified for the following reasons (see steps D ′, E ′, and F ′ in FIG. 5). The SAM film is not formed on the oxide thin film. For this reason, the SAM film 2 is formed only on the PZT film-free (exposed) platinum film by the first process that does not require the photolithography process or the exposure process (see the D ′ process in FIG. 5). .

従来のSAM膜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、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でき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・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。本発明は電気−機械変換素子として特にSAM膜が形成できない酸化物薄膜と、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。   Conventional patterning of SAM film and patterning of functional color material (color filter, polymer organic EL, nano metal wiring) using the same have been completed by one SAM treatment and subsequent functional color material arrangement. However, in the sol-gel method, the film thickness that can be formed at a time is small, so it is necessary to repeat the film a plurality of times. Each time, the process of forming the patterned SAM film by photolithography and etching becomes complicated. The present invention can be realized for the first time only by a combination in which an SAM film cannot be formed as an electro-mechanical conversion element and a lower electrode are constituent elements and a SAM film can be formed on the lower electrode.

第1のパターン形成した試料にSAM処理を行った後、PZT前駆体溶液の塗り分け塗工(パターン化したPZT前駆体塗膜6の形成)を行い、熱処理を施す。以上の図5のD’、E’、F’工程を所望の膜厚になるまで繰り返す。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。
なお、塗布工程後のこれまでの工程は、塗布工程により部分的に塗布されたゾルゲル液(PZT前駆体溶液)を乾燥・熱分解(以下、「加熱」ともいう)・結晶化する加熱・結晶化工程(以下、「加熱・結晶化工程」ともいう)に相当する。
After the SAM treatment is performed on the first pattern-formed sample, the PZT precursor solution is applied separately (formation of the patterned PZT precursor coating film 6) and heat treatment is performed. The above steps D ′, E ′, and F ′ of FIG. 5 are repeated until a desired film thickness is obtained. Patterning by this method can form ceramics up to a thickness of 5 μm.
In addition, after the coating process, the processes so far include drying, thermal decomposition (hereinafter, also referred to as “heating”), crystallization, and crystallization of the sol-gel solution (PZT precursor solution) partially applied in the coating process. This corresponds to a crystallization step (hereinafter also referred to as “heating / crystallization step”).

図6および図7を参照して、電気−機械変換膜43の形成について別の観点から説明する。図6および図7に示すように、下部電極42の表面に電気−機械変換膜43を形成する。なお、図6および図7においては、図4および図5に示したものと比較して、SAM膜2のパターン数を2箇所から3箇所に増やすとともに、下部電極42が図4および図5に示した基板1に相当することをその符号1に括弧を付して表わしている。
図6(a)および図7(a)に示す工程では、図3に示した薄膜製造装置50のステージ62上に、表面に所定パターンのSAM膜2が形成された下部電極42(図3の基板1に相当)を載置する。そして、周知のアライメント装置(CCDカメラやCMOSカメラ等)等を用いて、下部電極42の位置や傾き等をアライメントする。
With reference to FIGS. 6 and 7, the formation of the electro-mechanical conversion film 43 will be described from another viewpoint. As shown in FIGS. 6 and 7, an electromechanical conversion film 43 is formed on the surface of the lower electrode 42. 6 and 7, the number of patterns of the SAM film 2 is increased from two to three as compared with those shown in FIGS. 4 and 5, and the lower electrode 42 is formed in FIGS. 4 and 5. Corresponding to the substrate 1 shown, the reference numeral 1 is shown with parentheses.
In the steps shown in FIGS. 6A and 7A, the lower electrode 42 (see FIG. 3) having a predetermined pattern of the SAM film 2 formed on the stage 62 of the thin film manufacturing apparatus 50 shown in FIG. (Corresponding to the substrate 1) is placed. Then, the position, inclination, and the like of the lower electrode 42 are aligned using a known alignment device (CCD camera, CMOS camera, or the like).

そして、インクジェットヘッド67をX軸に駆動させ、下部電極42が載置されたステージ62をY軸に駆動させて、ステージ62上にインクジェットヘッド67を配置する。この際、図7(a)に示すように、膜厚測定手段73は下部電極42から上方に離れていて、Z軸において初期位置を占めている。そして、インクジェットヘッド67から下部電極42の表面のSAM膜2が存在しない領域(親水性の領域)に機能性インク43a(図5のPZT前駆体溶液に相当する)を吐出させる。この際、表面エネルギーのコントラストにより、機能性インク43aはSAM膜2が存在しない領域(親水性の領域)のみに濡れ広がる。   Then, the inkjet head 67 is driven on the X axis, the stage 62 on which the lower electrode 42 is mounted is driven on the Y axis, and the inkjet head 67 is disposed on the stage 62. At this time, as shown in FIG. 7A, the film thickness measuring means 73 is separated upward from the lower electrode 42 and occupies the initial position in the Z axis. Then, the functional ink 43a (corresponding to the PZT precursor solution in FIG. 5) is ejected from the inkjet head 67 to a region (hydrophilic region) where the SAM film 2 is not present on the surface of the lower electrode. At this time, due to the contrast of the surface energy, the functional ink 43a spreads wet only in the region where the SAM film 2 does not exist (hydrophilic region).

このように、表面エネルギーのコントラストを利用して機能性インク43aをSAM膜2が存在しない領域(親水性の領域)のみに形成することにより、塗布する溶液の使用量をスピンコート法等のプロセスよりも減らすことができると共に、工程を簡略化することが可能となる。   As described above, the functional ink 43a is formed only in the region where the SAM film 2 does not exist (hydrophilic region) by utilizing the contrast of the surface energy, so that the amount of the solution to be applied can be reduced by a process such as a spin coating method. In addition, the process can be simplified and the process can be simplified.

次に、図6(b)に示す工程では、レーザ照射装置71をX軸に駆動させ、必要な場合には下部電極42が載置されたステージ62をY軸に駆動させて、ステージ62上にレーザ照射装置71を配置する。そして、レーザ照射装置71にて、図6(a)に示す工程で濡れ広がった機能性インク43aにレーザ光71xを照射して加熱する。レーザ光71xが照射された機能性インク43aは、溶媒が蒸発し、熱分解されると共に、SAM膜2が除去・消失する。熱分解された機能性インク43aは更に結晶化されて機能性膜としての電気−機械変換膜43となる。レーザ照射装置71としては、例えば、半導体レーザ装置やYAGレーザ装置等を用いることができる。   Next, in the step shown in FIG. 6B, the laser irradiation device 71 is driven on the X axis, and if necessary, the stage 62 on which the lower electrode 42 is placed is driven on the Y axis. A laser irradiation device 71 is disposed on the surface. Then, the laser irradiation device 71 irradiates the functional ink 43a wetted and spread in the step shown in FIG. In the functional ink 43a irradiated with the laser beam 71x, the solvent evaporates and is thermally decomposed, and the SAM film 2 is removed and disappeared. The thermally decomposed functional ink 43a is further crystallized to become an electro-mechanical conversion film 43 as a functional film. As the laser irradiation device 71, for example, a semiconductor laser device, a YAG laser device, or the like can be used.

上述したように、図5のD’、E’、F’工程および図6の工程を所望の膜厚(目標膜厚)になるまで繰り返すことにより、機能性インクを積層して薄膜パターンを形成することができる。つまり、簡易な工程により電気−機械変換膜等の薄膜・薄膜パターンが製造可能となる。   As described above, by repeating the steps D ′, E ′, and F ′ in FIG. 5 and the step in FIG. 6 until a desired film thickness (target film thickness) is obtained, functional ink is laminated to form a thin film pattern. can do. That is, a thin film / thin film pattern such as an electro-mechanical conversion film can be manufactured by a simple process.

なお、シリコンは、厚さ、結晶特性、熱特性の面内ムラが低いため信頼性が高く、本実施形態で使用する基板1(振動板30)として好適である。   Silicon is highly reliable because it has low in-plane unevenness in thickness, crystal characteristics, and thermal characteristics, and is suitable as the substrate 1 (vibrating plate 30) used in this embodiment.

(電気−機械変換膜の膜厚測定)
次に、図7(b)に示す工程では、膜厚測定手段73をZ軸に駆動させ、膜厚測定手段73は下部電極42に近づいて膜厚が測定可能となる位置を占める。次いで、膜厚測定手段73をX軸に駆動させ、下部電極42が載置されたステージ62をY軸に駆動させて、ステージ62上に膜厚測定手段73を配置する。そして、膜厚測定手段73にて、図6(b)に示す工程で熱分解され結晶化した電気−機械変換膜43の膜厚をY軸に沿って測定する。
(Measurement of film thickness of electro-mechanical conversion film)
Next, in the step shown in FIG. 7B, the film thickness measuring means 73 is driven along the Z axis, and the film thickness measuring means 73 approaches the lower electrode 42 and occupies a position where the film thickness can be measured. Next, the film thickness measuring unit 73 is driven on the X axis, the stage 62 on which the lower electrode 42 is mounted is driven on the Y axis, and the film thickness measuring unit 73 is disposed on the stage 62. Then, the film thickness measuring means 73 measures the film thickness of the electro-mechanical conversion film 43 that has been thermally decomposed and crystallized in the step shown in FIG. 6B along the Y axis.

膜厚測定手段73により測定された電気−機械変換膜43の膜厚測定結果は、制御部75に取り込まれ、必要な計算処理(例えば、実際に測定された膜厚測定結果から基板1上の下部電極42表面までの差を求めるなどの計算を含む)がされて膜厚データに変換される。   The film thickness measurement result of the electro-mechanical conversion film 43 measured by the film thickness measuring unit 73 is taken into the control unit 75 and necessary calculation processing (for example, from the actually measured film thickness measurement result on the substrate 1). (Including calculation such as obtaining a difference up to the surface of the lower electrode 42) is converted into film thickness data.

制御部75の前記CPU(以下、単に「制御部75」ともいう)は、上述のようにして多数回繰り返されて基板1上に形成される全箇所の薄膜パターンの最終盤に、全箇所の薄膜パターンの膜厚測定を行い、その全箇所の薄膜パターンの膜厚測定結果に基づいて、目標膜厚の膜厚となるように、インクジェットヘッド67からの各箇所の薄膜パターンへの機能性インク43aの吐出量を補正する補正手段として機能する。   The CPU of the control unit 75 (hereinafter also simply referred to as “control unit 75”) repeats a number of times as described above to form the final plate of all the thin film patterns formed on the substrate 1 at all locations. Measure the film thickness of the thin film pattern, and based on the film thickness measurement results of the thin film pattern at all locations, the functional ink to the thin film pattern at each location from the inkjet head 67 so as to achieve the target thickness It functions as a correction means for correcting the discharge amount 43a.

図5のD’、E’、F’工程および図6の工程を踏まえ、図8のフローチャートを参照して膜厚測定手順について説明する。図8のステップS1において、基板1上に機能性インクを塗布し、次いで加熱・結晶化を行う(ステップS2)。ステップS1からステップS2までの処理を目標膜厚に近づくまで多数回繰り返す。例えば目標膜厚として2.0μmとした場合、多数回の試験等を行うことにより目標膜厚に最も近づく繰り返し回数を求めることができる。   Based on the steps D ′, E ′, and F ′ of FIG. 5 and the steps of FIG. 6, the film thickness measurement procedure will be described with reference to the flowchart of FIG. 8. In step S1 of FIG. 8, functional ink is applied on the substrate 1, and then heating and crystallization are performed (step S2). The process from step S1 to step S2 is repeated many times until the target film thickness is approached. For example, when the target film thickness is 2.0 μm, the number of repetitions closest to the target film thickness can be obtained by performing a number of tests and the like.

ステップS3では、目標膜厚に最も近づく繰り返し回数になったか否かのチェックを行う。目標膜厚に最も近づく繰り返し回数になった場合(基板1上に形成される全箇所の薄膜パターンの最終盤)には、ステップS4に進む。ここで、制御部75は基板1上に形成される全箇所の薄膜パターンの最終盤に、全箇所の薄膜パターンの膜厚測定を行う。すなわち、全箇所の薄膜パターンの情報を不揮発性メモリRAMに記録すると共に、目標膜厚にするために各薄膜パターンに必要な膜厚の計算等を実行する。   In step S3, it is checked whether or not the number of repetitions closest to the target film thickness has been reached. When the number of repetitions closest to the target film thickness is reached (the final plate of the thin film patterns at all locations formed on the substrate 1), the process proceeds to step S4. Here, the control unit 75 measures the film thickness of the thin film patterns at all locations on the final board of the thin film patterns at all locations formed on the substrate 1. That is, information on the thin film patterns at all locations is recorded in the nonvolatile memory RAM, and the film thickness necessary for each thin film pattern is calculated to obtain the target film thickness.

ステップS4において、制御部75は各薄膜パターンに必要な膜厚の計算結果に基づき、NGの場合には必要な薄膜パターンのみ機能性インクの塗布を行い(ステップS5)、OKの場合には機能性膜の成膜を終了する。   In step S4, the control unit 75 applies functional ink only to the necessary thin film pattern in the case of NG based on the calculation result of the film thickness necessary for each thin film pattern (step S5), and functions in the case of OK. Finishes the formation of the conductive film.

また、上記例に限らず、薄膜製造装置において、液体吐出手段として、複数の液体吐出ヘッドを有する場合には、各液体吐出ヘッドからは、機能性インクとしてそれぞれに異なる濃度のセラミックス(強誘電体)の前駆体溶液が吐出されるように構成してもよい。そして、複数の液体吐出ヘッドが2つである場合、一方の液体吐出ヘッドから吐出される前駆体溶液の濃度が、他方の液体吐出ヘッドから吐出される前駆体溶液の濃度の半分以下にできる。
この例によれば、複数の液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを使用する場合には、より前駆体溶液濃度の低い機能性インクを使用することにより、より細かな調整が行えるようになる。
Further, not only in the above example, in the thin film manufacturing apparatus, when a plurality of liquid ejection heads are used as the liquid ejection means, each liquid ejection head has a ceramic (ferroelectric material) having different concentrations as functional ink. ) Precursor solution may be discharged. When the number of the plurality of liquid discharge heads is two, the concentration of the precursor solution discharged from one liquid discharge head can be reduced to half or less of the concentration of the precursor solution discharged from the other liquid discharge head.
According to this example, when using an inkjet head as a plurality of liquid ejection heads, finer adjustment can be performed by using functional ink having a lower precursor solution concentration.

従来の薄膜製造装置および薄膜製造方法では多数回繰返される前記の工程ごとに膜厚測定を行うことは生産性という点からみて非効率的であった。これに対し、本実施形態によれば、基板1上に形成される全箇所の薄膜パターンの最終盤に、その全箇所の薄膜パターンの膜厚測定結果に基づいて、目標膜厚の膜厚となるように、インクジェットヘッド67からの各箇所の薄膜パターンへの機能性インク43aの吐出量を補正するので、効率的に目標膜厚の薄膜製造を行うことができる。   In the conventional thin film manufacturing apparatus and thin film manufacturing method, it is inefficient from the viewpoint of productivity to perform film thickness measurement for each of the processes repeated many times. On the other hand, according to this embodiment, the film thickness of the target film thickness is determined based on the film thickness measurement result of the thin film pattern at all locations on the final board of the thin film pattern at all locations formed on the substrate 1. As described above, since the ejection amount of the functional ink 43a from the inkjet head 67 to the thin film pattern at each location is corrected, a thin film with a target film thickness can be efficiently manufactured.

電気−機械変換膜43の膜厚は、接触式の粗さ計に限らず、例えば光等を用いた非接触形状計測器等を用いて計測できる。より具体的には、例えば、Zygo社の干渉計NewViewシリーズや、Keyence社の形状測定レーザ顕微鏡VKシリーズ等を用いることができる。   The film thickness of the electro-mechanical conversion film 43 is not limited to the contact-type roughness meter, and can be measured using, for example, a non-contact shape measuring instrument using light or the like. More specifically, for example, an interferometer NewView series manufactured by Zygo or a shape measurement laser microscope VK series manufactured by Keyence can be used.

(第2の実施形態)
この第2の実施形態は、本発明に係る画像形成装置に関するものである。
図9および図10を参照して、本発明に係る画像形成装置の一例としてのインクジェット記録装置100の全体構成を説明する。図9は、本実施形態のインクジェット記録装置の機構部の概略的な一部断面正面図である。図10は、同記録装置を透視して示す斜視図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment relates to an image forming apparatus according to the present invention.
With reference to FIG. 9 and FIG. 10, an overall configuration of an inkjet recording apparatus 100 as an example of an image forming apparatus according to the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic partial cross-sectional front view of the mechanism portion of the ink jet recording apparatus of the present embodiment. FIG. 10 is a perspective view showing the recording apparatus transparently.

図9および図10に示すインクジェット記録装置100は、図3の膜厚製造装置50で製造した複数の液体吐出ヘッド9(図2参照)を搭載した一例である。
図9および図10に示すように、インクジェット記録装置100は、いわゆるシリアル型のインクジェット記録装置である。インクジェット記録装置100は、キャリッジ101と、インクジェット記録ヘッド102(以下、単に「記録ヘッド102」という)と、印字機構部104とを有している。キャリッジ101は、記録装置本体100Aの内部に主走査方向に移動可能に構成されている。記録ヘッド102は、キャリッジ101の下側に搭載された複数の液体吐出ヘッド9の一実施形態である。印字機構部104は、記録ヘッド102へインクを供給するインクカートリッジ103を含んで構成されている。
The ink jet recording apparatus 100 shown in FIGS. 9 and 10 is an example in which a plurality of liquid ejection heads 9 (see FIG. 2) manufactured by the film thickness manufacturing apparatus 50 of FIG. 3 are mounted.
As shown in FIGS. 9 and 10, the ink jet recording apparatus 100 is a so-called serial type ink jet recording apparatus. The ink jet recording apparatus 100 includes a carriage 101, an ink jet recording head 102 (hereinafter simply referred to as “recording head 102”), and a printing mechanism unit 104. The carriage 101 is configured to be movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 100A. The recording head 102 is an embodiment of the plurality of liquid ejection heads 9 mounted on the lower side of the carriage 101. The printing mechanism unit 104 includes an ink cartridge 103 that supplies ink to the recording head 102.

記録装置本体100Aの下方部には、図10における左側の前方側から多数枚の用紙105を積載可能な給紙カセット106が、記録装置本体100Aに対して引き出し・押し込み自在に配設(配置して設けることを意味する)されている。給紙カセット106の上方には、用紙を手差しで給紙するための手差しトレイ107を記録装置本体100Aに対して揺動・開閉可能に設けられている。給紙カセット106あるいは手差しトレイ107から給送される用紙105を取り込み、印字機構部104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108に排紙する。   In the lower part of the recording apparatus main body 100A, a paper feed cassette 106 capable of stacking a large number of sheets 105 from the front side on the left side in FIG. 10 is disposed (arranged) so that it can be pulled out and pushed into the recording apparatus main body 100A. Meaning that it is provided). Above the paper feed cassette 106, a manual tray 107 for manually feeding paper is provided so as to be swingable and openable with respect to the recording apparatus main body 100A. The paper 105 fed from the paper feed cassette 106 or the manual feed tray 107 is taken in, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 104, the paper is discharged to a paper discharge tray 108 mounted on the rear side.

印字機構部104は、図示しない左右の側板に横架(横方向に架け渡すことを意味する)したガイド部材である主ガイドロッド109と従ガイドロッド110とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ101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本発明に係る記録ヘッド102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。   The printing mechanism unit 104 slides the carriage 101 in the main scanning direction by a main guide rod 109 and a sub guide rod 110 which are guide members that are horizontally mounted on left and right side plates (not shown). Hold freely. The carriage 101 has a plurality of ink discharge ports (nozzles) as a recording head 102 according to the present invention for discharging ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). They are arranged in a direction crossing the scanning direction, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward.

キャリッジ101には、記録ヘッド102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103を交換可能に装着している。インクカートリッジ103は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド102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。この多孔質体の毛管力により記録ヘッド102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102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101は、後方側(用紙(シート)搬送方向下流側)を主ガイドロッド109に摺動(接触して摺り動くことを意味する)自在に支持され、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド110に摺動自在に載置されている。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、タイミングベルト104をキャリッジ101に固定している。タイミングベルト104は、主走査モータ111で回転駆動される駆動プーリ112と従動プーリ113との間に張架(張力を付与する状態で掛け渡され装着されていることを意味する)されている。この主走査モータ111の正逆回転によりキャリッジ101が往復移動される。   Each ink cartridge 103 for supplying ink of each color to the recording head 102 is replaceably mounted on the carriage 101. The ink cartridge 103 has an atmosphere port communicating with the atmosphere above, a supply port for supplying ink to the recording head 102 below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the recording head 102 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the heads of the respective colors are used here as the recording heads 102, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used. Here, the carriage 101 is slidably supported on the main guide rod 109 on the rear side (downstream side in the sheet (sheet) conveyance direction) (meaning that it slides in contact) and forward (upstream in the sheet conveyance direction). Side) is slidably mounted on the secondary guide rod 110. The timing belt 104 is fixed to the carriage 101 in order to move and scan the carriage 101 in the main scanning direction. The timing belt 104 is stretched between the drive pulley 112 and the driven pulley 113 that are rotationally driven by the main scanning motor 111 (meaning that the belt is stretched and attached in a tensioned state). The carriage 101 is reciprocated by forward / reverse rotation of the main scanning motor 111.

一方、給紙カセット106にセットした用紙105を記録ヘッド102の下方側に搬送するために、給紙カセット106から用紙105を分離給装する給紙ローラ115およびフリクションパッド116と、用紙105を案内するガイド部材117と、給紙された用紙105を反転させて搬送する搬送ローラ118と、この搬送ローラ118の周面に押し付けられる搬送コロ119および搬送ローラ118からの用紙105の送り出し角度を規定する先端コロ120とを設けている。   On the other hand, in order to convey the paper 105 set in the paper feed cassette 106 to the lower side of the recording head 102, the paper feed roller 115 and the friction pad 116 for separating and feeding the paper 105 from the paper feed cassette 106, and the paper 105 are guided. The guide member 117 to be transported, the transport roller 118 for reversing and transporting the fed paper 105, the transport roller 119 pressed against the peripheral surface of the transport roller 118, and the feed angle of the paper 105 from the transport roller 118 are defined. A tip roller 120 is provided.

搬送ローラ118は、図10に示す副走査モータ121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101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ118から送り出された用紙105を記録ヘッド102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122を設けている。この印写受け部材122の用紙搬送方向下流側には、用紙105を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ123、拍車124を設けている。さらに、用紙105を排紙トレイ108に送り出す排紙ローラ125および拍車126と、排紙経路を形成するガイド部材127、128とを配設している。   The transport roller 118 is rotationally driven through a gear train by a sub-scanning motor 121 shown in FIG. A printing receiving member 122 is provided as a paper guide member that guides the paper 105 fed from the transport roller 118 on the lower side of the recording head 102 corresponding to the movement range of the carriage 101 in the main scanning direction. On the downstream side of the printing receiving member 122 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 123 and a spur 124 that are rotationally driven to send out the sheet 105 in the sheet discharge direction are provided. Further, a paper discharge roller 125 and a spur 126 for sending the paper 105 to the paper discharge tray 108, and guide members 127 and 128 for forming a paper discharge path are provided.

記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド102を駆動することにより、停止している用紙105にインクを吐出して1行分を記録し、用紙105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105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105を排紙する。また、キャリッジ101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102の吐出不良を回復するための回復装置129を配置している。回復装置129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101は印字待機中にはこの回復装置129側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド102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。   At the time of recording, the recording head 102 is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 101, thereby ejecting ink onto the stopped paper 105 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 105 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 105 is discharged. Further, a recovery device 129 for recovering the ejection failure of the recording head 102 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 101. The recovery device 129 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 101 is moved to the recovery device 129 side during printing standby, and the recording head 102 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.

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102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、記録装置本体100Aの下部に設置された廃インク溜(図示せず)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。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the recording head 102 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out together with ink from the discharge port with a suction unit through a tube. Etc. are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the recording apparatus main body 100A, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

以上説明したとおり、第2の実施形態によれば、インクジェット記録装置100においては、薄膜製造装置50で製造した複数の液体吐出ヘッド9の一実施形態である記録ヘッド102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。   As described above, according to the second embodiment, the inkjet recording apparatus 100 is equipped with the recording heads 102 that are one embodiment of the plurality of liquid ejection heads 9 manufactured by the thin film manufacturing apparatus 50. There is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved.

(実施例1)
次に、薄膜製造装置50を用いて薄膜パターンを形成する実施例1を説明する。この実施例1では、基板であるシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1.0μm)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。
Example 1
Next, Example 1 in which a thin film pattern is formed using the thin film manufacturing apparatus 50 will be described. In Example 1, a thermal oxide film (film thickness 1.0 μm) was formed on a silicon wafer as a substrate, and a titanium film (film thickness 50 nm) was formed by sputtering as an adhesion layer. Subsequently, a platinum film (thickness: 200 nm) was formed by sputtering as the lower electrode.

次いで、上述した図4(a)のB工程、図4(c)のB2工程において、アルカンチオールにCH(CH−SHを用い、濃度0.01モル/リットル(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、SAM膜2のパターニングの工程に移る。
SAM処理後の疎水性の確認評価として接触角測定を行い、図11(a)の水の接触角測定写真に示すように、SAM膜2形成部位上での水の接触角は92.2°であった。一方、図11(b)の水の接触角測定写真に示すように、SAM処理前(SAM膜2の除去部位でもある)の白金スパッタ膜のそれは5°以下(完全濡れ)であった。この結果から、SAM膜処理がなされたことが分かった。
Next, in step B in FIG. 4 (a) and step B2 in FIG. 4 (c), CH 3 (CH 2 ) 6 —SH is used as the alkanethiol, and the concentration is 0.01 mol / liter (solvent: isopropyl alcohol). ) It was immersed in the solution and subjected to SAM treatment. Thereafter, after washing and drying with isopropyl alcohol, the process proceeds to the patterning process of the SAM film 2.
As shown in the water contact angle measurement photograph in FIG. 11 (a), the water contact angle on the SAM film 2 formation site is 92.2 °. Met. On the other hand, as shown in the water contact angle measurement photograph of FIG. 11 (b), that of the platinum sputtered film before the SAM treatment (which is also the removal site of the SAM film 2) was 5 ° or less (complete wetting). From this result, it was found that the SAM film treatment was performed.

図4(a)のC工程において、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)を用い、スピンコート法でフォトレジスト層3を成膜し、通常のフォトリソグラフィ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2を除去した(図4(a)のD工程参照)。処理後の残渣レジストはアセトンにて溶解除去し、上記したと同様の接触角評価を行ったところ、除去部では5°以下の値(完全濡れ)の親水部(親水領域)5が形成され、フォトレジスト層3でカバーされていたSAM膜2形成部位のそれは92.4°の値を示した。この結果から、疎水部(疎水領域)が形成され、SAM膜2のパターン化がなされたことを確認した。   In step C of FIG. 4A, a photoresist layer 3 is formed by spin coating using a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd., and a resist pattern is formed by ordinary photolithography, followed by oxygen plasma treatment. Then, the exposed SAM film 2 was removed (see step D in FIG. 4A). The residual resist after the treatment was dissolved and removed with acetone, and a contact angle evaluation similar to that described above was performed. As a result, a hydrophilic portion (hydrophilic region) 5 having a value of 5 ° or less (completely wet) was formed in the removed portion. The SAM film 2 formation site covered by the photoresist layer 3 showed a value of 92.4 °. From this result, it was confirmed that a hydrophobic portion (hydrophobic region) was formed and the SAM film 2 was patterned.

図4(b)に示したSAM膜パターニング方式では、上記と同様のレジストワークにより予めレジストパターンを形成し、同様のSAM処理を実施後、アセトンにてフォトレジスト層3を除去し(B1〜D1工程)、接触角を測定した。フォトレジスト層3でカバーされていた白金膜上の接触角は5°以下の値(完全濡れ)で親水部5が形成され、他の部位(SAM膜2のパターン部位)のそれは92.0°の値の疎水部が形成され、SAM膜2のパターン化が適切になされたことを確認した。   In the SAM film patterning method shown in FIG. 4B, a resist pattern is formed in advance by the same resist work as described above, and after performing the same SAM treatment, the photoresist layer 3 is removed with acetone (B1 to D1). Step), the contact angle was measured. The hydrophilic part 5 is formed with a contact angle on the platinum film covered with the photoresist layer 3 of 5 ° or less (complete wetting), and the other part (pattern part of the SAM film 2) is 92.0 °. It was confirmed that the SAM film 2 was appropriately patterned by forming a hydrophobic portion having the value of.

図4(c)に示したSAM膜パターニング方式では、フォトマスク4を用いて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°以下の値(完全濡れ状態)で親水部5が形成され、未照射部(SAM膜2のパターン部位)のそれは92.2°の値の疎水部が形成され、SAM膜2のパターン化が適切になされたことを確認した。
次に、電気−機械変換膜としてPZT(53/47)を成膜した。前駆体塗布液(PZT前駆体溶液)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。
In the SAM film patterning method shown in FIG. 4C, the photomask 4 was used for ultraviolet irradiation. The ultraviolet rays used were irradiated with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 176 nm from an excimer lamp for 10 minutes. The contact angle of the irradiated part is a value of 5 ° or less (completely wet state), the hydrophilic part 5 is formed, and the non-irradiated part (pattern part of the SAM film 2) is a hydrophobic part having a value of 92.2 °, It was confirmed that the SAM film 2 was appropriately patterned.
Next, PZT (53/47) was formed as an electro-mechanical conversion film. In the synthesis of the precursor coating solution (PZT precursor solution), lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is 10 mol% excess relative to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.

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。
一度のゾルゲル成膜で得られる膜厚は100nmが好ましく、PZT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/リットルに限定されるものではない)。
Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.1 mol / liter.
The film thickness obtained by a single sol-gel film formation is preferably 100 nm, and the PZT precursor concentration is optimized from the relationship between the film formation area and the amount of applied precursor (thus, it is not limited to 0.1 mol / liter). ).

このPZT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(図7(a)参照)した。インクジェット法によりSAM膜(疎水部)上には液滴を吐出せずに、親水部に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パターン化されたPZT前駆体塗膜ができた。この塗膜に対して、レーザ照射装置71によりレーザを照射することで、加熱、結晶化を行い、図6(b)に示すPZT膜として電気−機械変換膜43を得た。   This PZT precursor solution was applied onto the patterned SAM film by the ink jet method (see FIG. 7A). A PZT precursor coating film patterned only on the hydrophilic portion by contrast of the contact angle was obtained by discharging only the hydrophilic portion without discharging droplets on the SAM film (hydrophobic portion) by the inkjet method. . The coating film was heated and crystallized by irradiating a laser with a laser irradiation device 71 to obtain an electro-mechanical conversion film 43 as a PZT film shown in FIG.

上述したインクジェット法により、繰返し同じ場所に液滴を吐出、レーザ照射する工程を15回繰り返して重ね塗りを行い、500nmの電気−機械変換膜を得た。このとき作製された電気−機械変換膜(PZT膜)にクラックなどの不良は生じなかった。
さらに15回のPZT前駆体溶液の選択塗布→レーザ照射を行い、加熱・結晶化処理をした(計30回)。電気−機械変換膜(PZT膜)にクラックなどの不良は生じなかった。電気−機械変換膜(PZT膜)の膜厚は1000nmに達した。このパターン化した電気−機械変換膜(PZT膜)に上部電極(白金)を成膜して電気−機械変換素子を作製し、電気特性、電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。
電気−機械変換膜(PZT膜)の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3μC/cm、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。この際得たP−Eヒステリシス曲線を図12に示す。
By the above-described ink jet method, the process of repeatedly discharging droplets to the same place and irradiating with laser was repeated 15 times to perform overcoating, and a 500 nm electro-mechanical conversion film was obtained. No defects such as cracks occurred in the electro-mechanical conversion film (PZT film) produced at this time.
Further, selective coating of the PZT precursor solution 15 times, laser irradiation was performed, and heating and crystallization treatment were performed (total 30 times). No defects such as cracks occurred in the electro-mechanical conversion film (PZT film). The film thickness of the electro-mechanical conversion film (PZT film) reached 1000 nm. An upper electrode (platinum) was formed on the patterned electro-mechanical conversion film (PZT film) to produce an electro-mechanical conversion element, and the electrical characteristics and electro-mechanical conversion ability (piezoelectric constant) were evaluated. .
The dielectric constant of the electro-mechanical conversion film (PZT film) is 1220, the dielectric loss is 0.02, the remanent polarization is 19.3 μC / cm 2 , the coercive electric field is 36.5 kV / cm, and an ordinary ceramic sintered body Has the same characteristics as The PE hysteresis curve obtained at this time is shown in FIG.

電気−機械変換素子の電気−機械変換能は電界印加による変形量をレーザ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。これは液体吐出ヘッドとして十分設計できうる特性値である。なお、pm/Vとは、1V(ボルト)の電圧を印加したときにその材料が何メートル伸びるかを表す単位であり、ここでは1Vの電圧を印加すると120pm(ピコメートル)縮むことを示す。 The electro-mechanical conversion ability of the electro-mechanical conversion element was calculated from the amount of deformation caused by the application of an electric field measured with a laser Doppler vibrometer and adjusted by simulation. The piezoelectric constant d 31 was −120 pm / V, which was also the same value as the ceramic sintered body. This is a characteristic value that can be sufficiently designed as a liquid discharge head. Note that pm / V is a unit representing how many meters the material extends when a voltage of 1 V (volt) is applied. Here, it indicates that when a voltage of 1 V is applied, the material contracts by 120 pm (picometer).

上述したとおり、実施例1によれば、レーザによる加熱・焼成を行うことで、熱による基板へのダメージを最小限に抑えることができる。また、レーザの照射面積(形状)はパターンより広ければ形状は問わないが、略同一形状であることがより好ましい。また、レーザの方が供給するエネルギー量が他の加熱・焼成プロセスよりも大きいのでタクトの改善も同時に実現できる。   As described above, according to the first embodiment, it is possible to minimize damage to the substrate due to heat by performing heating and baking with a laser. Further, the laser irradiation area (shape) may be any shape as long as it is wider than the pattern, but is preferably substantially the same shape. Further, since the amount of energy supplied by the laser is larger than that of other heating / firing processes, tact improvement can be realized at the same time.

なお、電極膜として白金やSrRuOやLaNiOなどの酸化物を溶媒に溶かし、インクジェット法で塗布し、レーザ照射することで電気−機械変換膜と同様に電極膜も形成することができる。 Note that an electrode film can be formed in the same manner as the electro-mechanical conversion film by dissolving an oxide such as platinum, SrRuO 3, or LaNiO 3 in a solvent, applying the ink film by an ink jet method, and irradiating a laser.

(実施例2)
電気−機械変換膜の膜厚測定に関する実施例2について説明する。図6および図7に示したように、インクジェットヘッド67により任意のパターンに機能性インクの塗布後、加熱・結晶化を行う。ここでは、図13に示すように、シリコンウェハからなる基板1上に形成された電気−機械変換膜43の多数の薄膜パターン(以下、単に「パターン」ともいう)は、同一形状で、おおよそ1mm(長手方向Lの寸法)×50μm(膜厚測定方向(短手:副走査方向)Bの寸法)のものを1パターン(以下、「1ビット」ともいう)とし、400パターン(400ビット)を1チップとして、これが複数チップあるものとする。
ここで、薄膜パターンとは、電気−機械変換膜43が細長い略矩形状をなした形状部分を意味する。また、塗膜パターンとは、加熱・結晶化前の機能性インク状態の塗布・形状部分を意味する。
(Example 2)
Example 2 relating to film thickness measurement of the electromechanical conversion film will be described. As shown in FIGS. 6 and 7, heating and crystallization are performed after the functional ink is applied in an arbitrary pattern by the inkjet head 67. Here, as shown in FIG. 13, a large number of thin film patterns (hereinafter also simply referred to as “patterns”) of the electro-mechanical conversion film 43 formed on the substrate 1 made of a silicon wafer have the same shape and approximately 1 mm. One dimension (dimension in the longitudinal direction L) × 50 μm (dimension in the film thickness measurement direction (short: sub-scanning direction) B) is defined as one pattern (hereinafter also referred to as “1 bit”), and 400 patterns (400 bits) It is assumed that there are a plurality of chips as one chip.
Here, the thin film pattern means a shape portion in which the electro-mechanical conversion film 43 has an elongated and substantially rectangular shape. Moreover, a coating film pattern means the application | coating and shape part of the functional ink state before a heating and crystallization.

上述した図5のD’、E’、F’工程および図6の工程を目標膜厚に最も近くなるまで繰り返す。その後、膜厚測定手段としての接触式の表面粗さ計にて、全てのビットの膜厚を測定する。ここでは接触式の粗さ計を挙げたが、非接触式のレーザ顕微鏡でもよい。機能性膜にダメージがなければ接触式の方がタクト的に有利であるが、機能性膜が軟質でダメージを受ける可能性があれば、非接触式の粗さ計を用いればよい。   The above-described steps D ′, E ′, and F ′ of FIG. 5 and the step of FIG. 6 are repeated until the target film thickness is closest. Thereafter, the film thickness of all the bits is measured with a contact-type surface roughness meter as a film thickness measuring means. Although a contact-type roughness meter has been described here, a non-contact type laser microscope may be used. If the functional film is not damaged, the contact type is more advantageous in terms of tact, but if the functional film is soft and may be damaged, a non-contact type roughness meter may be used.

ここで、目標膜厚(例えば2.0μm)は、例えば2.0±0.1μmの所定の公差をもって予め設定された規定膜厚であるものとする。この際、図7(b)に示す補正手段としての制御部75は、全てのパターン箇所の膜厚測定結果における公差内の最大の膜厚値に合わせて、インクジェットヘッド67による各箇所のパターンへの機能性インクの吐出量を補正する機能を有する。
全てのパターン箇所の膜厚測定結果、最大の膜厚値が例えば2.1μmであった場合、その2.1μmに合わせて、換言すれば他の箇所のパターンの膜厚が2.1μmになるようにインクジェットヘッド67による各箇所への機能性インクの吐出量を補正することとなる。この際、インクジェットヘッド67は他の箇所のパターンごとに機能性インクの容積を変えて、最大の膜厚値2.1μmになるように吐出する。つまり、インクジェットヘッド67から吐出される液滴としての機能性インクの容積が同一ではない場合が含まれる(請求項2)。
Here, it is assumed that the target film thickness (for example, 2.0 μm) is a specified film thickness set in advance with a predetermined tolerance of, for example, 2.0 ± 0.1 μm. At this time, the control unit 75 as the correcting means shown in FIG. 7B adjusts the pattern at each location by the inkjet head 67 in accordance with the maximum film thickness value within the tolerance in the film thickness measurement results at all pattern locations. The functional ink has a function of correcting the ejection amount.
As a result of film thickness measurement at all pattern locations, when the maximum film thickness value is 2.1 μm, for example, the film thickness of the pattern at other locations is 2.1 μm in accordance with 2.1 μm. Thus, the ejection amount of functional ink to each location by the inkjet head 67 is corrected. At this time, the ink jet head 67 changes the volume of the functional ink for each pattern at other locations, and discharges the ink so that the maximum film thickness value becomes 2.1 μm. That is, the case where the volume of the functional ink as droplets ejected from the inkjet head 67 is not the same is included (claim 2).

この実施例2によれば、電気−機械変換膜を備えた電気−機械変換素子を搭載した製品としての液体吐出ヘッドにおいて、印加電圧のバラツキ幅を小さく抑えることができ、これにより歩留まりが悪くならずにバラツキ幅の小さい電気−機械変換素子を搭載した液体吐出ヘッドを提供できる。   According to the second embodiment, in the liquid discharge head as a product on which the electro-mechanical conversion element including the electro-mechanical conversion film is mounted, it is possible to suppress the variation width of the applied voltage to be small, thereby reducing the yield. In addition, it is possible to provide a liquid discharge head equipped with an electro-mechanical conversion element having a small variation width.

(実施例3)
従来の電気−機械変換素子では、効率の良い振動や変形変位を得るために、電気−機械変換素子を構成している圧電体などの電気−機械変換膜等を均一にすることに主眼がおかれていた。このようなことから、効率の良い変形変位を得るために電気−機械変換素子の剛性と膜厚・形状との関係(以下、「相関関係」ともいう)についての本格的な技術提案は、本発明者らの知る範囲では見当たらない現状にある。
本発明者らは、本実施例で述べるように、試験研究を鋭意進める中で、電気−機械変換素子のアクチュエータ部の電気−機械変換能である変位量の代用特性としての剛性と膜厚・形状との間に、ある相関関係を見出し提案するものである。
(Example 3)
In the conventional electro-mechanical conversion element, in order to obtain efficient vibration and deformation displacement, the main purpose is to make the electro-mechanical conversion film such as a piezoelectric body constituting the electro-mechanical conversion element uniform. It was. For this reason, in order to obtain efficient deformation displacement, a full-scale technical proposal on the relationship between the rigidity of the electromechanical conversion element and the film thickness / shape (hereinafter also referred to as “correlation”) is The present situation is not found to the extent that the inventors know.
As described in the present embodiment, the present inventors diligently proceeded with research and studies, and as a substitute characteristic of the displacement amount, which is the electro-mechanical conversion ability of the actuator part of the electromechanical conversion element, the rigidity, the film thickness, A certain correlation is found and proposed with the shape.

実施例1で最終的に形成した電気−機械変換膜43のパターン寸法は、上記した1000×50μmであり、短い幅方向(短手方向:副走査方向に相当する)の変位量をレーザドップラー計で計測した結果を図14に示す。
図14において、横軸は、電気−機械変換素子のアクチュエータ部(図1および図2参照)おける短手方向の位置を示し、縦軸は、同アクチュエータ部の変位量を示している。
同図において、(a)は比較例の変位特性を示す線図であって、実施例1と同様の手法で同じ寸法にパターニングされたスピンコート工法で形成された電気−機械変換膜を含む電気−機械変換素子のアクチュエータ部の変位特性を示す。(b)は実施例1のインクジエット工法で形成されたPZT膜を含む電気−機械変換素子のアクチュエータ部の変位特性を示す。
The pattern dimension of the electromechanical conversion film 43 finally formed in Example 1 is 1000 × 50 μm as described above, and the displacement amount in the short width direction (short direction: corresponding to the sub-scanning direction) is measured by a laser Doppler meter. FIG. 14 shows the result of measurement in FIG.
In FIG. 14, the horizontal axis indicates the position in the short direction in the actuator portion (see FIGS. 1 and 2) of the electromechanical conversion element, and the vertical axis indicates the amount of displacement of the actuator portion.
In the same figure, (a) is a diagram showing the displacement characteristics of the comparative example, and includes an electro-mechanical conversion film formed by a spin coat method patterned to the same dimensions by the same method as in the first embodiment. -The displacement characteristic of the actuator part of a mechanical transducer is shown. (B) shows the displacement characteristic of the actuator part of the electromechanical conversion element containing the PZT film | membrane formed by the ink jet construction method of Example 1. FIG.

図15を参照して、解析による電気−機械変換素子のアクチュエータ部のPZT膜(電気−機械変換膜)における本実施例3の変形の様子を、比較例と対比する状態で説明する。図15(a)は図14(a)で説明したと同様の比較例:スピン工法で形成された、図15(b)は図14(b)で説明したと同様の本実施例1:インクジェット工法で形成された、それぞれのPZT膜の片側半分の変形の様子を示す。なお、変形の差が良く分かるように縦方向はスケールを50倍に増幅している。   With reference to FIG. 15, the state of deformation of the third embodiment in the PZT film (electro-mechanical conversion film) of the actuator part of the electromechanical conversion element by analysis will be described in a state in comparison with the comparative example. 15A is a comparative example similar to that described in FIG. 14A: formed by a spin method, and FIG. 15B is the same as that described in FIG. 14B. The state of deformation of one half of each PZT film formed by the construction method is shown. Note that the scale is amplified 50 times in the vertical direction so that the difference in deformation is well understood.

図15(a)、図15(b)の下側に示す各白抜きの図は、電圧を印加していないときの電気−機械変換素子のアクチュエータ部35における各々の断面形状を示す。アクチュエータ部35は、図1にも示すように、基板1としての振動板30から電気−機械変換膜43としてのPZT膜を挟んで構成される上部電極44までの積層構造体部分を示し、電圧がかけられたときに実際に変形変位する駆動部分を表す。また、X軸はPZT膜の短手(副走査)方向の位置を、Z軸はアクチュエータ部35が電圧印加時に圧力室基板20、圧力室21(図1参照)側へ変形変位する方向の位置・変位量を、それぞれ表わしている。
図15(a)に示す比較例のスピン工法で作製したPZT膜からなる電気−機械変換膜43は、エッチングで加工されることから、膜厚は略均一であるため剛性は場所・位置によらず略一定であり、電気−機械変換膜43端部付近で振動板30の変形を阻害していることが分かる。
Each white figure shown in the lower side of FIGS. 15A and 15B shows a cross-sectional shape of each of the actuator portions 35 of the electromechanical conversion element when no voltage is applied. As shown also in FIG. 1, the actuator part 35 shows the laminated structure part from the diaphragm 30 as the board | substrate 1 to the upper electrode 44 comprised on both sides of the PZT film | membrane as the electromechanical conversion film | membrane 43, and voltage It represents a drive part that is actually deformed and displaced when the is applied. The X axis is the position in the short (sub-scanning) direction of the PZT film, and the Z axis is the position in the direction in which the actuator unit 35 is deformed and displaced toward the pressure chamber substrate 20 and the pressure chamber 21 (see FIG. 1) when a voltage is applied.・ The amount of displacement is shown respectively.
Since the electro-mechanical conversion film 43 made of the PZT film manufactured by the spin method of the comparative example shown in FIG. 15A is processed by etching, the film thickness is substantially uniform, so the rigidity depends on the location and position. It can be seen that it is substantially constant and hinders deformation of the diaphragm 30 near the end of the electromechanical conversion film 43.

一方、図15(b)に示す本実施例3のインクジェット工法で形成されたPZT膜からなる電気−機械変換膜43は、白抜きで示す断面が略メニスカス(三日月)凸レンズ形状(凸が上部電極44への向き)になっていることにより、アクチュエータ部35のPZT膜端部で膜厚が薄くなっている。これにより、アクチュエータ部35(PZT膜)端部付近の剛性が低下しているため、変形時に端部付近の振動板30が大きくスピン工法よりも変形し、アクチュエータ部35のPZT膜中央部の最大変位量もスピン工法のPZT膜よりも大きくなっており、図14の測定結果と一致していることが分かった。   On the other hand, the electro-mechanical conversion film 43 made of the PZT film formed by the inkjet method of Example 3 shown in FIG. 15B has a substantially meniscus (crescent moon) convex lens shape (the convex is the upper electrode). 44), the film thickness is thin at the end of the PZT film of the actuator unit 35. As a result, the rigidity in the vicinity of the end portion of the actuator portion 35 (PZT film) is lowered, so that the vibration plate 30 in the vicinity of the end portion is greatly deformed by the spin method at the time of deformation, and the maximum in the central portion of the PZT film of the actuator portion 35 The displacement amount was also larger than that of the spin method PZT film, which was found to be consistent with the measurement result of FIG.

上部電極を配置せずに、更なる厚膜化を試みた。すなわち、6回までの熱分解アニールのたびに結晶化処理を行い、これを10回繰り返したところ5μmのパターン化PZT膜がクラックなどの欠陥を伴わずに得られた。   An attempt was made to further increase the film thickness without arranging the upper electrode. That is, crystallization treatment was performed every time pyrolysis annealing was repeated up to 6 times, and when this was repeated 10 times, a patterned PZT film having a thickness of 5 μm was obtained without defects such as cracks.

上述のとおり、本実施例3により得られた電気−機械変換素子の、基板1である振動板30から第2の電極である上部電極44までが積層されたアクチュエータ部35は、上位概念用語で記載すると次のようになる。すなわち、アクチュエータ部35の長手方向と直交する短手方向(副走査方向に相当する)の断面におけるアクチュエータ部35の端部からその中央部に向かって徐々に大きくなる剛性を有していると表現できる。この場合、中央が最も高い山形状の曲線を含む他、中央が最も高い三角形状の曲線も含む。
より具体的には、アクチュエータ部35は、その短手方向の断面におけるアクチュエータ部35の端部からその中央部に向かって略メニスカス凸レンズの外周面湾曲線を描くように徐々に大きくなる剛性を有するように作製するのが好ましい。
As described above, the actuator unit 35 in which the electromechanical conversion element obtained in the third embodiment is laminated from the diaphragm 30 as the substrate 1 to the upper electrode 44 as the second electrode is a high-level concept term. It will be as follows. That is, it is expressed as having rigidity that gradually increases from the end portion of the actuator portion 35 toward the central portion thereof in a cross section in the short direction (corresponding to the sub-scanning direction) orthogonal to the longitudinal direction of the actuator portion 35. it can. In this case, in addition to a mountain-shaped curve having the highest center, a triangular curve having the highest center is also included.
More specifically, the actuator portion 35 has a rigidity that gradually increases so as to draw a curved line of the outer peripheral surface of the substantially meniscus convex lens from the end portion of the actuator portion 35 in the cross section in the short direction toward the center portion thereof. It is preferable to make it as follows.

以上説明したとおり、本実施例3によれば、第1に、上述した特有の剛性特性を有する電気−機械変換素子を得たことにより、効率の良い電気−機械変換能として優れた変形変位を得ることができる。
第2に、本実施例3では、第1の電極上に部分的に表面改質を行う表面改質工程と、表面改質された第1の電極上に液滴吐出法によって圧電体前駆体としてのPZT前駆体を含むゾルゲル液(PZT前駆体溶液)を部分的に塗布する塗布工程と、部分的に塗布されたゾルゲル液を乾燥・熱分解・結晶化する乾燥・熱分解・結晶化工程とを含み、前記塗布工程および前記乾燥・熱分解・結晶化工程を繰返し行ってパターン化した電気−機械変換膜を得る電気−機械変換膜の製造方法により製作され、かつ、前記表面改質が、第1の電極上にチオール化合物を付与することによりなされ、その後、フォトリソグラフィ・エッチングにより部分的にチオール化合物が除去される工程を含む。これにより、加熱・結晶化工程におけるクラックの発生を防止することができ、また、上述の工程で得られた電気−機械変換膜(PZT膜)は、良好な電気特性をもつことができる。
As described above, according to the third embodiment, first, by obtaining an electro-mechanical conversion element having the above-described specific rigidity characteristics, an excellent deformation displacement as an efficient electro-mechanical conversion ability is obtained. Can be obtained.
Second, in Example 3, a surface modification step for partially modifying the surface of the first electrode, and a piezoelectric precursor by a droplet discharge method on the surface-modified first electrode. Coating process for partially applying a sol-gel liquid (PZT precursor solution) containing a PZT precursor as a drying process, and a drying / pyrolysis / crystallization process for drying / pyrolysis / crystallization of the partially applied sol-gel liquid The electro-mechanical conversion film for obtaining a patterned electro-mechanical conversion film by repeatedly performing the coating step and the drying / pyrolysis / crystallization step, and the surface modification is performed , By applying a thiol compound on the first electrode, and then partially removing the thiol compound by photolithography etching. Thereby, generation | occurrence | production of the crack in a heating and crystallization process can be prevented, and the electromechanical conversion film (PZT film | membrane) obtained at the above-mentioned process can have a favorable electrical property.

次に、本発明に係る電気−機械変換膜の膜厚分布形状および電気−機械変換膜の外周表面形状について説明する。
図16および図17を参照して、実施例2におけるPZT膜の膜厚分布形状および外周表面形状について説明する。
実施例1と同様にインクジェット方式により重ね塗布して最終的に得られたPZT膜のアクチュエータ部における短手方向の断面の膜厚を表面粗さ計で計測した片側半分の結果を図16に示す。PZT膜の膜厚は、PZT膜の中心で最も厚く端部に向かい一様に膜厚が減少している。このときの中央部の最大膜厚は1000nm(1.0μm)であった。
すなわち、PZT膜の膜厚分布形状は、アクチュエータ部の短手方向の断面におけるアクチュエータ部端部からその中央部に向かって徐々に大きくなる形状特性を有し、略メニスカス凸レンズ状となっている。
Next, the film thickness distribution shape of the electro-mechanical conversion film and the outer peripheral surface shape of the electro-mechanical conversion film according to the present invention will be described.
With reference to FIG. 16 and FIG. 17, the thickness distribution shape and outer peripheral surface shape of the PZT film in Example 2 will be described.
FIG. 16 shows the result of the half on one side where the film thickness of the cross section in the short direction in the actuator part of the PZT film finally obtained by the repeated application by the ink jet method as in Example 1 was measured with a surface roughness meter. . The thickness of the PZT film is the thickest at the center of the PZT film, and the film thickness decreases uniformly toward the end. At this time, the maximum film thickness at the center was 1000 nm (1.0 μm).
That is, the thickness distribution shape of the PZT film has a shape characteristic that gradually increases from the end portion of the actuator portion toward the central portion in the cross section in the short direction of the actuator portion, and has a substantially meniscus convex lens shape.

前記膜厚分布の多項式近似を実施したところ、図17および次式(1)、(2)の高次関数である4次関数の近似式と非常に良い一致を示した。図17に示す膜厚分布の一例としては、PZT膜の短手(副走査)方向(X軸の+−の両方向)の幅は50μmであり、Xの有効範囲(PZT膜形成部)は、−25≦X≦+25μmとなる。
但し、式(1)において、XはPZT膜の断面中央を0としたPZT膜の各端部に向かう正負の位置座標を表わし、YはX位置座標におけるPZT膜の膜厚を表わす(図17参照)。係数A〜Eは膜厚が変ると変動する係数である。
Y=−AX+BX−CX+DX+E・・・式(1)
As a result of polynomial approximation of the film thickness distribution, it showed a very good agreement with the approximate expression of the quartic function which is a higher order function of FIG. 17 and the following expressions (1) and (2). As an example of the film thickness distribution shown in FIG. 17, the width of the PZT film in the short side (sub-scanning) direction (both in the + and -X directions) is 50 μm, and the effective range of X (PZT film forming part) is: −25 ≦ X ≦ + 25 μm.
In Equation (1), X represents positive and negative position coordinates toward each end of the PZT film with the center of the cross section of the PZT film being 0, and Y represents the thickness of the PZT film at the X position coordinates (FIG. 17). reference). Coefficients A to E are coefficients that vary as the film thickness changes.
Y = −AX 4 + BX 3 −CX 2 + DX + E (1)

上記式(1)を求めるために、上述した膜厚計測を多数回行い、前記膜厚分布の多項式近似を多数回実施し、前記係数A〜Eの間にある特定の関係を見出した。その結果をまとめると、次のとおりである。前記式(1)において、前記断面中央の膜厚E(X=0のとき)である係数Eの範囲が0.5〜5.0(μm)にあるとき、係数A、係数B、係数C、係数Dが、次式(2)の係数数値をそれぞれ0.9〜1.1倍にした範囲内に存在する特定の関係にある。
Y=−3×1018+1014−3×10+4520X+0.996・・・式(2)
なお、前記(1)、(2)式は、見方を変えると、PZT膜の外周表面形状を近似的に表しているものとも表現できる。
In order to obtain the above formula (1), the above-described film thickness measurement was performed many times, and polynomial approximation of the film thickness distribution was performed many times, and a specific relationship between the coefficients A to E was found. The results are summarized as follows. In the formula (1), when the range of the coefficient E that is the film thickness E (when X = 0) in the center of the cross section is 0.5 to 5.0 (μm), the coefficient A, the coefficient B, and the coefficient C The coefficient D is in a specific relationship that exists within a range obtained by multiplying the coefficient value of the following expression (2) by 0.9 to 1.1 times.
Y = -3 × 10 18 X 4 +10 14 X 3 −3 × 10 9 X 2 + 4520X + 0.996 Formula (2)
In addition, the expressions (1) and (2) can be expressed as an approximate representation of the outer peripheral surface shape of the PZT film, when viewed differently.

以上説明したとおり、本実施例3によれば、実施例1の効果に加えて、いわば理想的なPZT膜の膜厚分布形状およびPZT膜の外周表面形状を得ることができた。
従来の電気−機械変換素子では、効率の良い振動や変形変位を得るために、電気−機械変換素子を構成している圧電体などの電気−機械変換膜等を均一にすることに主眼がおかれていた。このような現状に鑑み、本発明者らは従来とは本質的に異なる観点・発想から、効率の良い変形変位を得るために電気−機械変換素子・電気−機械変換膜の剛性と膜厚・形状との相関関係について上述のとおり提案するものである。
As described above, according to the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, an ideal film thickness distribution shape of the PZT film and an outer peripheral surface shape of the PZT film can be obtained.
In the conventional electro-mechanical conversion element, in order to obtain efficient vibration and deformation displacement, the main purpose is to make the electro-mechanical conversion film such as a piezoelectric body constituting the electro-mechanical conversion element uniform. It was. In view of such a current situation, the present inventors have obtained the rigidity and thickness of the electro-mechanical conversion element / electro-mechanical conversion film in order to obtain an efficient deformation displacement from a viewpoint / idea essentially different from the conventional one. The correlation with the shape is proposed as described above.

以上述べたとおり、本発明を特定の実施形態および実施例等について説明したが、本発明が開示する技術は、上述した実施形態および実施例等に例示されているものに限定されるものではない。すなわち、それらを適宜組み合わせて構成してもよく、本発明の範囲内において、その必要性および用途等に応じて種々の実施形態や実施例或いは変形例を構成し得ることは当業者ならば明らかである。   As described above, the present invention has been described with respect to specific embodiments and examples. However, the technology disclosed by the present invention is not limited to those exemplified in the above-described embodiments and examples. . That is, it may be configured by appropriately combining them, and it will be apparent to those skilled in the art that various embodiments, examples, and modifications can be configured within the scope of the present invention according to the necessity and application. It is.

本発明の第1の実施形態の電気−機械変換素子40を用いた液体吐出ヘッドとして、微小インクを吐出するインクジェット記録ヘッド102を例示して説明したが、これに限定されない。すなわち、本発明の適用範囲は、例えばインクに代えて、その用途に応じて使用する任意の微小液体を吐出する液体吐出ヘッドであってもよく、また液体吐出ヘッドを用いたパターニング装置等にも適用可能なことは言うまでもない。   Although the ink jet recording head 102 that ejects minute ink has been described as an example of the liquid ejecting head using the electro-mechanical conversion element 40 of the first embodiment of the present invention, the present invention is not limited to this. That is, the scope of application of the present invention may be, for example, a liquid discharge head that discharges an arbitrary minute liquid used in accordance with its use instead of ink, and is also applicable to a patterning apparatus using the liquid discharge head. Needless to say, it is applicable.

本発明に係る画像形成装置は、図9および図10に示したインクジェット記録装置100に限らず、本発明のインクジェット方式の画像形成装置を含む画像形成装置にも適用可能である。すなわち、例えば、プリンタ、プロッタ、ワープロ、ファクシミリ、複写機、またはこれら2つ以上の機能を備えた複合機等においてインクジェット記録装置を含む画像形成装置にも適用可能である。
本発明の適用分野としては、直接的には印刷分野、特にデジタル印刷分野が挙げられ、画像形成装置としては、マルチファンクション・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、上記MFPなどが挙げられる。また、応用分野としては、インクジェット技術を利用する三次元造型技術などにも適用可能である。
また、記録媒体としては、用紙105に限らず、使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒、或いはOHPシート等まで、インクジェットヘッドを用いて画像形成可能な全ての記録媒体を含むものである。
The image forming apparatus according to the present invention is not limited to the ink jet recording apparatus 100 shown in FIGS. 9 and 10, and can be applied to an image forming apparatus including the ink jet type image forming apparatus of the present invention. That is, for example, the present invention can be applied to an image forming apparatus including an ink jet recording apparatus in a printer, a plotter, a word processor, a facsimile machine, a copying machine, or a multifunction machine having two or more functions.
The application field of the present invention is directly the printing field, particularly the digital printing field, and the image forming apparatus is a digital printing apparatus using a multi-function printer (MFP), a printer used in an office or a personal use. And the above-mentioned MFP. In addition, as an application field, it can be applied to a three-dimensional molding technique using an inkjet technique.
The recording medium is not limited to the paper 105, but includes all recording media capable of forming an image using an inkjet head, such as usable thin paper, thick paper, postcard, envelope, or OHP sheet.

1 基板
2 SAM膜(撥液膜)
3 フォトレジスト層
4 フォトマスク
5 親水部
6 PZT前駆体塗膜(機能性塗膜)
7 PZT膜(機能性膜)
9 液体吐出ヘッド
10 ノズル板
11 ノズル
20 圧力室基板
21 圧力室
30 振動板
40 電気−機械変換素子
41 密着層
42 下部電極(第1の電極)
43 電気−機械変換膜(機能性膜)
43a 機能性インク(機能性溶液)
44 上部電極(第2の電極)
50 薄膜製造装置
67 インクジェットヘッド(液体吐出手段)
71 レーザ照射装置(加熱結晶化手段)
73 膜厚測定手段
75 制御部(補正手段)
100 インクジェットヘッド記録装置(画像形成装置)
100A 記録装置本体
101 キャリッジ
102 インクジェット記録ヘッド(液体吐出ヘッド)
104 印字機構部
105 用紙(記録媒体)
1 substrate 2 SAM film (liquid repellent film)
3 Photoresist layer 4 Photomask 5 Hydrophilic part 6 PZT precursor coating (functional coating)
7 PZT film (functional film)
9 Liquid ejection head 10 Nozzle plate 11 Nozzle 20 Pressure chamber substrate 21 Pressure chamber 30 Vibration plate 40 Electro-mechanical conversion element 41 Adhesion layer 42 Lower electrode (first electrode)
43 Electro-mechanical conversion membrane (functional membrane)
43a Functional ink (functional solution)
44 Upper electrode (second electrode)
50 Thin Film Manufacturing Device 67 Inkjet Head (Liquid Discharge Unit)
71 Laser irradiation device (heating crystallization means)
73 Film thickness measuring means 75 Control unit (correction means)
100 Inkjet head recording apparatus (image forming apparatus)
100A recording apparatus main body 101 carriage 102 ink jet recording head (liquid ejection head)
104 Printing mechanism 105 Paper (recording medium)

特開2011−108996号公報JP 2011-108996 A 特許第4364840号公報Japanese Patent No. 4364840

Claims (16)

成膜対象物上の複数箇所毎に機能性インクを複数回吐出し、前記複数箇所に塗膜パターンを形成する液体吐出手段と、
前記複数箇所の塗膜パターンを、前記機能性インクの複数回吐出毎に加熱し結晶化して前記複数箇所に薄膜パターンを得る加熱結晶化手段と、
を有することを特徴とする薄膜製造装置。
A liquid ejecting unit that ejects the functional ink a plurality of times at a plurality of locations on the film formation target, and forms a coating film pattern at the plurality of locations;
Heat crystallization means for heating and crystallizing the coating film pattern at the plurality of locations for each of the plurality of ejections of the functional ink to obtain a thin film pattern at the plurality of locations;
A thin film manufacturing apparatus comprising:
請求項1記載の薄膜製造装置において、
前記液体吐出手段から吐出される複数の液滴の容積は同一ではないことを特徴とする薄膜製造装置。
The thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the volume of the plurality of droplets ejected from the liquid ejecting means is not the same.
請求項1記載の薄膜製造装置において、
前記複数回の加熱結晶化後における全箇所の前記薄膜パターンの膜厚を測定する膜厚測定手段と、
前記全箇所の薄膜パターンの膜厚測定結果に基づいて、目標膜厚の膜厚となるように、前記液体吐出手段からの前記各箇所への前記機能性インクの吐出量を補正する補正手段と、
を有することを特徴とする薄膜製造装置。
The thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
Film thickness measuring means for measuring the film thickness of the thin film pattern at all locations after the heat crystallization multiple times,
Correction means for correcting the discharge amount of the functional ink from the liquid discharge means to the respective positions so as to obtain a film thickness of a target film thickness based on the film thickness measurement results of the thin film patterns at all the positions; ,
A thin film manufacturing apparatus comprising:
請求項3記載の薄膜製造装置において、
前記目標膜厚は、所定の公差をもって予め設定された規定膜厚であり、
前記補正手段は、前記膜厚測定結果における前記公差内の最大の膜厚値に合わせて、前記各箇所への前記機能性インクの吐出量を補正することを特徴とする薄膜製造装置。
In the thin film manufacturing apparatus according to claim 3,
The target film thickness is a specified film thickness set in advance with a predetermined tolerance,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the correction unit corrects the ejection amount of the functional ink to each of the portions in accordance with the maximum film thickness value within the tolerance in the film thickness measurement result.
請求項3または4記載の薄膜製造装置において、
前記膜厚測定手段が、接触式の表面粗さ計であることを特徴とする薄膜製造装置。
In the thin film manufacturing apparatus according to claim 3 or 4,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the film thickness measuring means is a contact type surface roughness meter.
請求項5記載の薄膜製造装置において、
前記接触式の表面粗さ計による膜厚測定は、前記機能性インクの加熱・結晶化後に行うことを特徴とする薄膜製造装置。
In the thin film manufacturing apparatus according to claim 5,
The film thickness measurement by the contact-type surface roughness meter is performed after heating and crystallization of the functional ink.
請求項3または4記載の薄膜製造装置において、
前記膜厚測定手段が、非接触式のものであることを特徴とする薄膜製造装置。
In the thin film manufacturing apparatus according to claim 3 or 4,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the film thickness measuring means is a non-contact type.
請求項1ないし7の何れか一つに記載の薄膜製造装置において、
前記機能性インクが、セラミックスの前駆体溶液であることを特徴とする薄膜製造装置。
In the thin film manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 7,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the functional ink is a ceramic precursor solution.
請求項8記載の薄膜製造装置において、
前記液体吐出手段として、複数の液体吐出ヘッドが備えられており、
前記各液体吐出ヘッドからは、それぞれに異なる濃度の前記前駆体溶液が吐出されることを特徴とする薄膜製造装置。
The thin film manufacturing apparatus according to claim 8,
As the liquid ejection means, a plurality of liquid ejection heads are provided,
The thin film manufacturing apparatus, wherein the precursor solutions having different concentrations are discharged from the liquid discharge heads.
請求項9記載の薄膜製造装置において、
前記複数の液体吐出ヘッドが2つである場合、一方の前記液体吐出ヘッドから吐出される前記前駆体溶液の濃度が、他方の前記液体吐出ヘッドから吐出される前記前駆体溶液の濃度の半分以下であることを特徴とする薄膜製造装置。
The thin film manufacturing apparatus according to claim 9, wherein
When the number of the plurality of liquid discharge heads is two, the concentration of the precursor solution discharged from one of the liquid discharge heads is equal to or less than half the concentration of the precursor solution discharged from the other liquid discharge head. A thin film manufacturing apparatus characterized by the above.
請求項1ないし10の何れか一つに記載の薄膜製造装置によって製作された薄膜としての電気−機械変換膜を用いた電気−機械変換素子であって、
前記成膜対象物上に第1の電極が形成され、第1の電極の少なくとも一部に前記電気−機械変換膜が形成され、さらに前記電気−機械変換膜の少なくとも一部に第2の電極が形成された電気−機械変換素子であり、
前記成膜対象物から第2の電極までが積層されたアクチュエータ部は、該アクチュエータ部の断面における前記電気−機械変換膜の膜厚分布形状が、次式(1)の4次関数で近似されることを特徴とする電気−機械変換素子。
Y=−AX+BX−CX+DX+E・・・式(1)
但し、式(1)において、Xは前記電気−機械変換膜の前記断面中央を0とした前記各端部に向かう正負の位置座標を表わし、YはX位置座標における前記膜厚を表わす。
前記式(1)において、係数A〜Eは膜厚が変ると変動する係数であり、前記断面中央の膜厚E(X=0のとき)である係数Eの範囲が0.5〜5.0(μm)にあるとき、係数A、係数B、係数C、係数Dが、次式(2)の係数数値をそれぞれ0.9〜1.1倍にした範囲内に存在する特定の関係にある。
Y=−3×1018+1014−3×10+4520X+0.996・・・式(2)
An electro-mechanical conversion element using an electro-mechanical conversion film as a thin film manufactured by the thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
A first electrode is formed on the film formation target, the electro-mechanical conversion film is formed on at least a part of the first electrode, and a second electrode is formed on at least a part of the electro-mechanical conversion film. Is an electro-mechanical conversion element formed,
In the actuator unit in which the film formation target to the second electrode are stacked, the thickness distribution shape of the electro-mechanical conversion film in the cross section of the actuator unit is approximated by a quartic function of the following equation (1). An electro-mechanical conversion element.
Y = −AX 4 + BX 3 −CX 2 + DX + E (1)
However, in Formula (1), X represents the positive / negative position coordinate which goes to each said edge part which made the said cross-sectional center of the said electromechanical conversion film | membrane 0, and Y represents the said film thickness in a X position coordinate.
In the formula (1), the coefficients A to E are coefficients that vary as the film thickness changes, and the range of the coefficient E that is the film thickness E (when X = 0) in the center of the cross section is 0.5 to 5. When it is 0 (μm), the coefficient A, the coefficient B, the coefficient C, and the coefficient D are in a specific relationship that exists within a range obtained by multiplying the coefficient numerical value of the following expression (2) by 0.9 to 1.1 times, respectively. is there.
Y = -3 × 10 18 X 4 +10 14 X 3 −3 × 10 9 X 2 + 4520X + 0.996 Formula (2)
請求項11記載の電気−機械変換素子において、
前記電気−機械変換膜は、
第1の電極上に部分的に表面改質を行う表面改質工程と、前記表面改質された第1の電極上に液滴吐出法によって圧電体前駆体を含むゾルゲル液を部分的に塗布する塗布工程と、前記部分的に塗布されたゾルゲル液を乾燥・熱分解・結晶化する乾燥・熱分解・結晶化工程とを含み、前記塗布工程および前記乾燥・熱分解・結晶化工程を繰返し行ってパターン化した電気−機械変換膜を得る電気−機械変換膜の製造方法により製作されることを特徴とする電気−機械変換素子。
The electro-mechanical transducer according to claim 11,
The electro-mechanical conversion film is
A surface modification step for partially modifying the surface on the first electrode, and a sol-gel solution containing a piezoelectric precursor is partially coated on the surface-modified first electrode by a droplet discharge method. The coating step and the drying / pyrolysis / crystallization step for drying, pyrolysis / crystallization of the partially applied sol-gel solution, and repeating the coating step and the drying / pyrolysis / crystallization step. An electro-mechanical conversion element manufactured by a method of manufacturing an electro-mechanical conversion film to obtain a patterned electro-mechanical conversion film.
請求項12記載の電気−機械変換素子において、
前記表面改質が、第1の電極上にチオール化合物を付与することによりなされ、その後、フォトリソグラフィ・エッチングにより部分的に前記チオール化合物が除去される工程を含むことを特徴とする電気−機械変換素子。
The electro-mechanical transducer according to claim 12,
The electro-mechanical conversion characterized in that the surface modification is performed by applying a thiol compound on the first electrode, and then partially removing the thiol compound by photolithography etching. element.
請求項11ないし13の何れか一つに記載の電気−機械変換素子を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。   A liquid discharge head comprising the electro-mechanical conversion element according to claim 11. 請求項14記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像形成装置。   An image forming apparatus comprising the liquid discharge head according to claim 14. 成膜対象物上の複数箇所の第1の電極上に部分的に表面改質を行う表面改質工程と、前記表面改質された第1の電極上の前記複数箇所毎に液滴吐出法によって圧電体前駆体を含むゾルゲル液を部分的に塗布する塗布工程と、前記部分的に塗布された前記複数箇所のゾルゲル液を加熱・結晶化する加熱・結晶化工程とを含み、前記塗布工程および前記加熱・結晶化工程を複数回繰返し行って薄膜パターンを得る薄膜製造方法において、
前記複数回の加熱・結晶化工程後における全箇所の薄膜パターンの膜厚を測定した膜厚測定結果に基づいて、目標膜厚の膜厚となるように、前記各箇所への前記ゾルゲル液の塗布量を補正することを特徴とする薄膜製造方法。
A surface modification step for partially modifying the surface on a plurality of first electrodes on a film formation target, and a droplet discharge method for each of the plurality of locations on the surface-modified first electrode A coating step of partially applying a sol-gel solution containing a piezoelectric precursor, and a heating / crystallization step of heating / crystallizing the partially applied sol-gel solution, wherein the coating step And in the thin film manufacturing method for repeatedly obtaining the thin film pattern by repeatedly performing the heating and crystallization step,
Based on the film thickness measurement results obtained by measuring the film thickness of the thin film pattern at all locations after the multiple heating and crystallization steps, the sol-gel solution to each location is adjusted so as to have a target thickness. A method for producing a thin film, wherein the coating amount is corrected.
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