JP2014154741A - Method of manufacturing electromechanical conversion film, electromechanical conversion element, liquid discharge head, and ink-jet recording device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換膜技術に関し、詳しくは、インクジェット記録装置等に備えられる液体吐出ヘッドの駆動源等として用いられる電気機械変換素子を構成する電気機械変換膜の製造方法、並びに、かかる方法により製造された電気機械変換膜を電極間に挟持した電気機械変換素子、かかる電気機械変換素子を用いた液体吐出ヘッド、かかる液体吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。 The present invention relates to an electromechanical conversion film technology, and more particularly, a method for manufacturing an electromechanical conversion film constituting an electromechanical conversion element used as a drive source for a liquid discharge head provided in an ink jet recording apparatus, and the like. The present invention relates to an electromechanical conversion element in which an electromechanical conversion film manufactured by the above method is sandwiched between electrodes, a liquid discharge head using the electromechanical conversion element, and an ink jet recording apparatus including the liquid discharge head.
プリンタ、ファクシミリ、複写装置など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において、電気機械変換素子が液体吐出ヘッドの駆動源として用いられる。
液体吐出ヘッドには、電気機械変換素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが知られている。
このような圧電アクチュエータにおいては、大きな圧電定数が得られ、また、圧電膜の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましい。
これらの点を考慮すれば、結晶配向性に優れた圧電膜が好ましい。結晶配向性に関する技術としては、圧電膜としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)等の複合酸化物膜を用いることが知られている。
圧電膜に関しては種々研究が進められており、例えば、基板上に形成したバッファ層(PbTiO3を主成分)を有機熱分解前する前にPZT層を塗布して両層を一括して有機熱分解し、結晶化熱処理(430〜500℃)を行うことによりPZT薄膜を製造する方法が提案されている。熱分解工程では、ベークとRTA熱分解との2段階に分けて焼成が行われる。このゾルゲル法により、PZTからなる強誘電体結晶化薄膜、およびこれを用いたキャパシタが500℃以下の低温で製造可能であるとしている(特許文献1参照)。
また、PZT膜をゾルゲル法で成膜する際に、有機金属のゾルをゲル化させる工程で複数の貫通孔が形成されたホットプレートを備えた装置により基板を吸着させた状態で加熱する方法が提案されている。この手法により、ウエハの反りが防止され、ウエハ面内での熱分解条件が均一となって結晶配向ばらつきが抑制され、圧電特性の面内均一性が得られるとしている(特許文献2参照)。
また、PZT膜をゾルゲル法で成膜する際に、熱分解を省略し、乾燥工程と本焼成工程のみを用いて成膜する方法が提案されている。つまり、乾燥工程で、所望の膜厚となるまでPZT薄膜を積層した後に、本焼成をRTA装置で長時間実施し、熱分解と結晶化を同時に進ませる。この手法により、従来よりも成膜温度の低温化および短時間化、リーク電流の低減、製造プロセスの簡略化が可能であるとしている(特許文献3参照)。
In an ink jet recording apparatus used as an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus, an electromechanical conversion element is used as a drive source of a liquid discharge head.
There are known liquid ejection heads that use a piezoelectric actuator in a longitudinal vibration mode that expands and contracts in the axial direction of an electromechanical transducer, and those that use a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode.
In such a piezoelectric actuator, it is preferable that a large piezoelectric constant is obtained and that the in-plane variation of the piezoelectric performance of the piezoelectric film is small.
Considering these points, a piezoelectric film having excellent crystal orientation is preferable. As a technique related to crystal orientation, it is known to use a composite oxide film such as lead zirconate titanate (PZT) as a piezoelectric film.
Various researches have been made on piezoelectric films. For example, a PZT layer is applied before organic thermal decomposition of a buffer layer (mainly PbTiO 3 ) formed on a substrate, and both layers are subjected to organic heat. A method of manufacturing a PZT thin film by decomposing and performing a crystallization heat treatment (430 to 500 ° C.) has been proposed. In the pyrolysis step, the baking is performed in two stages of baking and RTA pyrolysis. According to this sol-gel method, a ferroelectric crystallized thin film made of PZT and a capacitor using the same can be manufactured at a low temperature of 500 ° C. or less (see Patent Document 1).
In addition, when forming a PZT film by the sol-gel method, there is a method of heating in a state where the substrate is adsorbed by an apparatus including a hot plate in which a plurality of through holes are formed in the step of gelling the organometallic sol. Proposed. According to this method, warpage of the wafer is prevented, the thermal decomposition conditions in the wafer surface are uniform, crystal orientation variation is suppressed, and in-plane uniformity of piezoelectric characteristics is obtained (see Patent Document 2).
Further, there has been proposed a method of forming a PZT film by a sol-gel method, omitting thermal decomposition, and using only a drying process and a main baking process. That is, after the PZT thin film is laminated until a desired film thickness is obtained in the drying process, the main baking is performed for a long time with the RTA apparatus, and thermal decomposition and crystallization are simultaneously advanced. According to this method, the film forming temperature can be lowered and shortened, the leakage current can be reduced, and the manufacturing process can be simplified as compared with the conventional technique (see Patent Document 3).
上記のように、ゾルゲル法により電気機械変換膜を製造する方法は種々提案されているが未だ十分ではなく、生産性が高く、基板面内で膜質均一性の高い製造方法の開発が望まれている。 As described above, various methods for producing electromechanical conversion films by the sol-gel method have been proposed, but they are not yet sufficient, and it is desired to develop a production method with high productivity and high film quality uniformity in the substrate surface. Yes.
前述のように、ゾルゲル法による電気機械変換膜の製造方法においては、形成された複合酸化物膜の基板面内での特性が均一でないという課題がある。
ゾルゲル法では、基板面に設けられた電極上に、電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体含有溶液(ゾルゲル液)をスピンコート等により塗布して成膜した後、乾燥、焼成して複合酸化物膜とする。焼成は、一般的に、仮焼成(熱分解)と本焼成に分けられ、最終的には結晶質の複合酸化物膜とされる。
上記基板面内での特性が均一でない理由として、複合酸化物膜の焼成時に温度バラツキが発生してしまうことが大きな問題要因として挙げられる。なお、電気機械変換膜は、対向配置された電極(下部電極と上部電極)の間に挟持されて電気機械変換素子を構成する。
特に、乾燥工程、仮焼成工程(非晶質膜形成)、本焼成工程(結晶質膜形成)が設けられた製造方法において、仮焼成工程をホットプレート装置を用いて伝導加熱または対流加熱により実施する場合は、より一層温度バラツキが発生する。
ホットプレート装置を用いた伝導加熱または対流加熱による焼成での温度バラツキは、複合酸化物膜を積層法により形成していくことによって基板面での膜構成の対称性が崩れ、そこに温度が加わると熱膨張率の関係から基板に反りが発生してしまう。この反りによって、基板上に形成された複合酸化物膜がホットプレート面と接地している部分とそうでない部分で温度差が生まれてしまう。これにより、基板面内での複合酸化物膜の仮焼成後の状態、つまり熱分解状態が異なり、複合酸化物膜の膜質が異なってしまう。
すなわち、仮焼成工程において、ホットプレート装置を用いた伝導加熱または対流加熱により焼成を実施することは生産性の面では優位であるが、基板面内の温度バラツキを低減し、複合酸化物膜質の均一性を向上する必要がある。
一方、前記ホットプレート以外の方法として、RTA(Rapid Thermal Annealing)法がある。しかし、RTA法は一般的に非接触の輻射熱にて加熱する手法(輻射加熱)を用いるため、基板に反りが発生しても、温度バラツキが発生しにくいという特長がある。そのため、RTA法で前記仮焼成工程を実施することは、基板面内での膜質の均一性を向上する観点からは有利である。
しかし、RTA法に用いるRTA装置はランプをカバーするための石英チャンバーがあり、ウエハはそのチャンバー内で加熱されることになる。そのため、熱分解したときの揮発成分がチャンバー内に付着し、汚染することになる。この汚染は、熱輻射のエネルギーを吸収してしまい、ウエハが加熱されにくくなる。このため、チャンバーの手入れが必要であること、さらにはチャンバー内の雰囲気を入れ替えるためのキャリアガスが必要であることなどから、メンテナンスや高価な設備設置が必要である。また、生産性においては、ホットプレート装置から比べるとRTA装置はチャンバーの開閉処理や常温からの加熱処理を要するために時間を費やしてしまい、生産性に劣る。
すなわち、仮焼成工程において、RTA装置を用いた輻射加熱により焼成を実施することは複合酸化物膜質の均一性を向上する観点からは優位であるが、生産性に劣る問題がある。
As described above, the method for producing an electromechanical conversion film by the sol-gel method has a problem that the characteristics of the formed complex oxide film are not uniform within the substrate surface.
In the sol-gel method, a complex oxide precursor-containing solution (sol-gel solution) for forming an electromechanical conversion film is applied onto an electrode provided on a substrate surface by spin coating or the like, and then dried and fired. A composite oxide film is used. Firing is generally divided into provisional firing (thermal decomposition) and main firing, and finally a crystalline composite oxide film is formed.
As a reason why the characteristics in the substrate plane are not uniform, temperature variation is generated at the time of firing the composite oxide film as a major problem factor. The electromechanical conversion film is sandwiched between electrodes (lower electrode and upper electrode) arranged to face each other to form an electromechanical conversion element.
In particular, in a manufacturing method provided with a drying process, a temporary baking process (amorphous film formation), and a main baking process (crystalline film formation), the temporary baking process is performed by conduction heating or convection heating using a hot plate apparatus. If this is the case, temperature variation will occur even more.
As for temperature variation in baking by conduction heating or convection heating using a hot plate apparatus, the symmetry of the film configuration on the substrate surface is broken by forming the composite oxide film by the lamination method, and temperature is added thereto. And the thermal expansion coefficient cause warpage of the substrate. This warpage causes a temperature difference between the portion where the complex oxide film formed on the substrate is in contact with the hot plate surface and the portion where it is not. As a result, the state of the composite oxide film after pre-baking in the substrate surface, that is, the thermal decomposition state is different, and the film quality of the composite oxide film is different.
In other words, in the pre-baking step, firing by conduction heating or convection heating using a hot plate apparatus is advantageous in terms of productivity, but it reduces temperature variation in the substrate surface and reduces the complex oxide film quality. There is a need to improve uniformity.
On the other hand, as a method other than the hot plate, there is an RTA (Rapid Thermal Annealing) method. However, since the RTA method generally uses a method of heating with non-contact radiant heat (radiant heating), there is a feature that even if the substrate is warped, temperature variation is unlikely to occur. Therefore, it is advantageous from the viewpoint of improving the uniformity of the film quality within the substrate surface to carry out the preliminary baking step by the RTA method.
However, the RTA apparatus used for the RTA method has a quartz chamber for covering the lamp, and the wafer is heated in the chamber. For this reason, volatile components when thermally decomposed adhere to the chamber and become contaminated. This contamination absorbs the energy of heat radiation, and the wafer becomes difficult to be heated. For this reason, since maintenance of a chamber is required and also a carrier gas for replacing the atmosphere in the chamber is required, maintenance and expensive equipment installation are required. Further, in terms of productivity, the RTA apparatus requires a time for opening and closing the chamber and a heat treatment from room temperature as compared with the hot plate apparatus, and therefore, the productivity is inferior.
That is, in the pre-baking step, firing by radiant heating using an RTA apparatus is advantageous from the viewpoint of improving the uniformity of the composite oxide film quality, but has a problem of poor productivity.
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、塗布工程、膜形成工程、仮焼成工程、本焼成工程を含む工程により電気機械変換膜を製造するゾルゲル法において、生産性が高く、基板面内で膜質の均一性が高い電気機械変換膜の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above prior art, and in the sol-gel method for producing an electromechanical conversion film by a process including a coating process, a film forming process, a temporary baking process, and a main baking process, the productivity is high, It is an object of the present invention to provide a method for producing an electromechanical conversion film with high uniformity of film quality within the substrate surface.
本発明者らは鋭意検討した結果、仮焼成工程(熱分解:非晶質膜形成)において、繰り返しサイクルごとの膜形成を伝導加熱または対流加熱(ホットプレート装置)により実施する第1の仮焼成工程と、所望の繰り返しにより形成した積層膜全体を輻射加熱(RTA装置)により実施する第2の仮焼成工程を組合せることにより、上記課題が解決されることを見出し本発明に至った。
すなわち、上記課題は、電気機械変換膜を形成する製造方法であって、
(1)電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液を電極上に塗布する塗布工程と、
(2)塗布したゾルゲル液の溶媒成分を除去・乾燥して成膜する膜形成工程と、
(3)形成された膜を伝導加熱または対流加熱により焼成し、前記複合酸化物前駆体に結合している有機成分を取り除いて非晶質の複合酸化物膜を形成する第1の仮焼成工程と、
(4)上記工程(1)乃至(3)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の非晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
(5)得られた非晶質の複合酸化物積層膜全体を輻射加熱により焼成し、積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程と、
(6)上記工程(5)で得られた非晶質の複合酸化物積層膜を焼成し、結晶質の複合酸化物膜とする本焼成工程と、
(7)上記工程(1)乃至(6)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の結晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
を有することを特徴とする電気機械変換膜の製造方法により解決される。
As a result of intensive studies, the present inventors have conducted a first temporary baking in which film formation for each repeated cycle is performed by conduction heating or convection heating (hot plate apparatus) in the temporary baking step (thermal decomposition: amorphous film formation). It has been found that the above problems can be solved by combining the process and the second pre-baking process in which the entire laminated film formed by the desired repetition is performed by radiant heating (RTA apparatus).
That is, the above problem is a manufacturing method for forming an electromechanical conversion film,
(1) a coating step of coating a sol-gel solution containing a composite oxide precursor for forming an electromechanical conversion film on an electrode;
(2) a film formation step of removing and drying the solvent component of the applied sol-gel solution to form a film;
(3) First calcination step of firing the formed film by conduction heating or convection heating to remove an organic component bonded to the complex oxide precursor to form an amorphous complex oxide film When,
(4) Steps (1) to (3) are repeated at least once to form an amorphous composite oxide layered film having a desired film thickness,
(5) a second temporary firing step in which the entire amorphous composite oxide multilayer film is fired by radiation heating, and the entire multilayer film is thermally decomposed uniformly;
(6) a main firing step of firing the amorphous composite oxide laminated film obtained in the step (5) to form a crystalline composite oxide film;
(7) The above steps (1) to (6) are repeated at least once, and a laminated film forming step of forming a crystalline composite oxide laminated film having a desired film thickness;
It solves by the manufacturing method of the electromechanical conversion film characterized by having.
本発明による電気機械変換膜の製造方法によれば、非晶質の複合酸化物を形成する第1の仮焼成工程において、伝導加熱または対流加熱による焼成を施し、非晶質の複合酸化物積層膜を形成する第2の仮焼成工程において、輻射加熱による焼成を施すため、伝導加熱または対流加熱手法の有する利点と、輻射加熱手法の有する利点が各々活用され、生産性が高く、基板面内で膜質の均一性が高い電気機械変換膜が提供される。 According to the method for producing an electromechanical conversion film of the present invention, in the first preliminary firing step of forming an amorphous composite oxide, firing by conduction heating or convection heating is performed, and an amorphous composite oxide stack is formed. In the second pre-baking step for forming the film, since the baking is performed by radiant heating, the advantages of the conductive heating or convection heating method and the advantages of the radiant heating method are utilized, respectively, and the productivity is high and the substrate surface Thus, an electromechanical conversion film having high film quality uniformity is provided.
前述のように本発明における電気機械変換膜の製造方法は、
(1)電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液を電極上に塗布する塗布工程と、
(2)塗布したゾルゲル液の溶媒成分を除去・乾燥して成膜する膜形成工程と、
(3)形成された膜を伝導加熱または対流加熱により焼成し、前記複合酸化物前駆体に結合している有機成分を取り除いて非晶質の複合酸化物膜を形成する第1の仮焼成工程と、
(4)上記工程(1)乃至(3)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の非晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
(5)得られた非晶質の複合酸化物積層膜全体を輻射加熱により焼成し、積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程と、
(6)上記工程(5)で得られた非晶質の複合酸化物積層膜を焼成し、結晶質の複合酸化物膜とする本焼成工程と、
(7)上記工程(1)乃至(6)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の結晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
を有することを特徴とするものである。
上記伝導加熱または対流加熱により焼成する手段がホットプレート装置であり、上記輻射加熱により焼成する手段がRTA装置であることが好ましい。
ここで、ホットプレート装置とは、熱源により加温されるホットプレート面に基板を載せて接触状態で加熱(伝導加熱)するか、あるいはホットプレート面と基板の間にクリアランスを設けて非接触状態で加熱(対流加熱)する手段を有する装置である。なお、基板としては、Si等のウエハを用いることができる。
一方、RTA装置とは、熱源から放射される輻射熱により基板を非接触状態で加熱(輻射加熱)する手段を有する装置である。
RTAは、Rapid Thermal Annealingの略称であり、所定の温度で数秒〜数分間熱分解あるいは焼成を行う処理であり、具体的には第2の仮焼成工程では400℃〜500℃程度で60秒〜5分程度で熱分解あるいは焼成を行う。RTA装置はこのような処理が可能な装置である。
なお、本焼成工程をRTA装置で行うには、650℃〜800℃程度で30秒〜5分程度で焼成を行う。
以下、「伝導加熱または対流加熱により焼成して非晶質の複合酸化物膜を形成する第1の仮焼成工程」を、「ホットプレート装置を用いて焼成して非晶質の複合酸化物膜を形成する第1の仮焼成工程」と表現することがある。
また、「輻射加熱により焼成して積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程」を、「RTA装置を用いて焼成して積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程」と表現することがある。
As described above, the manufacturing method of the electromechanical conversion film in the present invention is as follows.
(1) a coating step of coating a sol-gel solution containing a composite oxide precursor for forming an electromechanical conversion film on an electrode;
(2) a film formation step of removing and drying the solvent component of the applied sol-gel solution to form a film;
(3) First calcination step of firing the formed film by conduction heating or convection heating to remove an organic component bonded to the complex oxide precursor to form an amorphous complex oxide film When,
(4) Steps (1) to (3) are repeated at least once to form an amorphous composite oxide layered film having a desired film thickness,
(5) a second temporary firing step in which the entire amorphous composite oxide multilayer film is fired by radiation heating, and the entire multilayer film is thermally decomposed uniformly;
(6) a main firing step of firing the amorphous composite oxide laminated film obtained in the step (5) to form a crystalline composite oxide film;
(7) The above steps (1) to (6) are repeated at least once, and a laminated film forming step of forming a crystalline composite oxide laminated film having a desired film thickness;
It is characterized by having.
The means for baking by conduction heating or convection heating is preferably a hot plate apparatus, and the means for baking by radiant heating is preferably an RTA apparatus.
Here, the hot plate device is a non-contact state in which a substrate is placed on a hot plate surface heated by a heat source and heated in a contact state (conduction heating), or a clearance is provided between the hot plate surface and the substrate. It is an apparatus which has a means to heat by (convection heating). As the substrate, a wafer such as Si can be used.
On the other hand, the RTA apparatus is an apparatus having means for heating (radiant heating) the substrate in a non-contact state by radiant heat radiated from a heat source.
RTA is an abbreviation for Rapid Thermal Annealing, and is a process of performing thermal decomposition or firing at a predetermined temperature for several seconds to several minutes. Specifically, in the second preliminary firing step, about 400 ° C. to 500 ° C. for about 60 seconds to Pyrolysis or baking is performed in about 5 minutes. The RTA device is a device capable of such processing.
In addition, in order to perform this baking process with an RTA apparatus, baking is performed at about 650 to 800 ° C. for about 30 seconds to 5 minutes.
Hereinafter, “first calcining step of forming an amorphous composite oxide film by baking by conduction heating or convection heating” is referred to as “amorphous composite oxide film by baking using a hot plate apparatus”. May be expressed as a “first calcining step for forming”.
Also, “second calcining step in which the entire laminated film is uniformly pyrolyzed by firing by radiant heating” is referred to as “second calcining step in which the entire laminated film is uniformly pyrolyzed by firing using the RTA apparatus”. It may be expressed as “process”.
前述したように、仮焼成工程をホットプレート装置のみで実施すると生産性の面から有利であるが、複合酸化物膜を積層法で形成する際に、基板面での膜構成の対称性が崩れ、さらに熱膨張率の関係から基板に反りが発生して複合酸化物膜の仮焼成後の熱分解状態が異なり、膜質が異なってしまう問題がある。一方、仮焼成工程をRTA装置のみで実施すると複合酸化物膜(非晶質の膜)の均一性を確保する点からは有利であるが、生産性に難点がある。
上記に対して本発明では、伝導加熱または対流加熱による焼成(ホットプレート装置による焼成)と、輻射加熱による焼成(RTA装置による焼成)との利点を各々活用し、仮焼成工程(非晶質膜形成のための熱分解の工程)において、繰り返しサイクルごとの各膜形成ではホットプレート装置により第1の仮焼成工程を実施し、繰り返しサイクルにより積み重ねられた積層膜については、RTA装置により第2の仮焼成工程を実施して、積層膜全体を均一に熱分解するため、生産性が高く、基板面内で複合酸化物の膜質の均一性が高い電気機械変換膜が得られる。複合酸化物としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が用いられる。
As described above, it is advantageous from the viewpoint of productivity to perform the pre-baking process only with a hot plate apparatus, but when forming a composite oxide film by a lamination method, the symmetry of the film structure on the substrate surface is lost. Furthermore, there is a problem that the substrate is warped due to the thermal expansion coefficient, the thermal decomposition state after the preliminary firing of the composite oxide film is different, and the film quality is different. On the other hand, when the pre-baking step is performed only with the RTA apparatus, it is advantageous from the viewpoint of ensuring the uniformity of the composite oxide film (amorphous film), but there is a difficulty in productivity.
In contrast to the above, the present invention takes advantage of the advantages of firing by conduction heating or convection heating (baking by a hot plate device) and firing by radiation heating (baking by an RTA device), respectively, and a temporary firing step (amorphous film) In the thermal decomposition step for forming), in the formation of each film in each repeated cycle, the first temporary baking step is performed by a hot plate apparatus, and the laminated film stacked by the repeated cycle is subjected to the second by the RTA apparatus. Since the pre-baking step is performed and the entire laminated film is thermally decomposed uniformly, an electromechanical conversion film having high productivity and high uniformity of the composite oxide film quality within the substrate surface can be obtained. As the composite oxide, for example, lead zirconate titanate (PZT) is used.
本発明のゾルゲル法による電気機械変換膜の製造方法について図1を参照して説明する。
図1は本発明のゾルゲル法による電気機械変換膜の製造方法における製造プロセスフローを示す。図1の製造プロセスフローにおいては、本発明の特徴とする伝導加熱または対流加熱による焼成(ホットプレート装置による焼成)と、輻射加熱による焼成(RTA装置による焼成)とを組合せた仮焼成工程、すなわち、第1の仮焼成工程と、得られた非晶質の複合酸化物積層膜全体を輻射加熱により焼成し、積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程を含む。
A method for producing an electromechanical conversion film by the sol-gel method of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows a manufacturing process flow in the method for manufacturing an electromechanical conversion film by the sol-gel method of the present invention. In the manufacturing process flow of FIG. 1, a temporary baking step that combines firing by conduction heating or convection heating (baking by a hot plate apparatus) and baking by radiation heating (baking by an RTA apparatus), which is a feature of the present invention, The first pre-baking step and the second pre-baking step of baking the entire obtained amorphous composite oxide laminated film by radiant heating and thermally decomposing the whole laminated film uniformly.
上記(1)乃至(7)の工程を含む本発明の電気機械変換膜の製造方法について以下に詳しく説明する。
<(1)塗布工程>
(1)の塗布工程では、電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液を電極上に塗布する。
電気機械変換膜は対向配置された電極(上部電極、下部電極)間に挟持されて電気機械変換素子を構成するものであり、本発明の製造方法においては基板上に設けられた電極(例えば、白金族下部電極)上に複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液が塗布される。電気機械変換膜としては、複合酸化物から構成される材料が挙げられる。
このようなゾルゲル液から形成される複合酸化物としては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)や、化学式ABO3(A=Pb、Ba、Srから選択される元素、B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbから選択される元素を主成分とする)で記述される材料が挙げられる。その具体的な記述例として、例えば、(Pb1−x,Bax)(Zr1−y,Tiy)O3、(Pb1−x,Srx)(Zr1−y,Tiy)O3などが挙げられる。これらは、一般式ABO3における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。
PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
すなわち、ゾルゲル液は、主成分が化学式ABO3で記述される複合酸化物を形成可能な前駆体を含むものである。
The method for producing an electromechanical conversion film of the present invention including the steps (1) to (7) will be described in detail below.
<(1) Application process>
In the application step (1), a sol-gel solution containing a complex oxide precursor for forming an electromechanical conversion film is applied on the electrode.
The electromechanical conversion film is sandwiched between opposed electrodes (upper electrode, lower electrode) to constitute an electromechanical conversion element. In the manufacturing method of the present invention, an electrode (for example, A sol-gel solution containing a composite oxide precursor is applied onto the platinum group lower electrode). Examples of the electromechanical conversion film include materials composed of complex oxides.
Examples of the composite oxide formed from such a sol-gel solution include lead zirconate titanate (PZT) and chemical formula ABO 3 (A = Pb, Ba, Sr, elements selected from B = Ti, Zr, Sn, And a material having an element selected from Ni, Zn, Mg, and Nb as a main component. As a concrete description, for example, (Pb 1-x, Ba x) (Zr 1-y, Ti y) O 3, (Pb 1-x, Sr x) (Zr 1-y, Ti y) O 3 etc. are mentioned. These are cases where Pb at the A site in the general formula ABO 3 is partially substituted with Ba or Sr. 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.
Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there.
That is, the sol-gel liquid contains a precursor whose main component is capable of forming a composite oxide described by the chemical formula ABO 3 .
以下の説明においては、代表的な例としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を挙げて説明する。
ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)とは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)との固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合の場合であり、化学式ではPb(Zr0.53,Ti0.47)O3と表され、一般にPZT(53/47)と示される。
基板上に設けられた電極上に塗布する複合酸化物前駆体のゾルゲル液(PZT前駆体溶液)の合成は、例えば、出発材料として酢酸鉛三水和物、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ることができる。ここで、酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水する。化学両論組成に対し鉛量を10モル%過剰にすることが好ましく、これにより熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐことができる。
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成することができる。
金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。
なお、以降に続く第1の仮焼成工程、第2の仮焼成工程、本焼成工程によりクラックの発生しない電気機械変換膜を得るには、一度の塗布工程で100nm程度以下の膜厚が得られるように前駆体濃度を調整することが重要である。すなわち、塗膜から結晶化膜への変化には体積収縮が伴うので、膜厚の制御が必要である。なお、液体吐出ヘッドの電気機械変換素子として用いる場合、このPZT膜の膜厚としてはより好ましくは1μm〜2μm程度が要求される。すなわち、前述の方法でこの膜厚を得るには十数回の工程を繰り返す必要がある。
In the following description, lead zirconate titanate (PZT) will be described as a representative example.
Lead zirconate titanate (PZT) is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, a composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics is obtained when the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and is expressed as Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 in the chemical formula. It is indicated as PZT (53/47).
The composite oxide precursor sol-gel solution (PZT precursor solution) applied on the electrode provided on the substrate is synthesized, for example, by using lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, isopropoxide zirconium as starting materials. Can be used. Here, the crystal water of lead acetate is dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. It is preferable to make the lead amount excessive by 10 mol% with respect to the stoichiometric composition, and this can prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.
PZT precursor solution is synthesized by dissolving isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with methoxyethanol solution in which lead acetate is dissolved. Can do.
Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
In order to obtain an electromechanical conversion film free from cracks by the first pre-baking step, the second pre-baking step, and the main baking step that follows, a film thickness of about 100 nm or less can be obtained in a single coating step. Thus, it is important to adjust the precursor concentration. That is, the change from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, so that the film thickness must be controlled. When used as an electromechanical conversion element of a liquid discharge head, the thickness of the PZT film is more preferably about 1 μm to 2 μm. That is, in order to obtain this film thickness by the method described above, it is necessary to repeat a dozen steps.
<(2)膜形成工程>
(2)の膜形成工程では、塗布したゾルゲル液の溶媒成分を除去・乾燥して成膜する。
PZT前駆体溶液をスピンコートなどの溶液塗布法により電極上に塗布した後、溶媒を乾燥・除去してPZT前駆体からなる膜を形成する。
溶媒の乾燥・除去は、120℃程度で実施することができる。つまり、この乾燥工程は、溶媒であるメトキシエタノールの沸点より低い温度で実施することが望ましい。また、乾燥工程は、溶媒が除去できればよく特に限定されない。例えば、ホットプレート装置を用いて実施することもでき、乾燥が100℃近傍であることから、表面に電極が設けられている基板には反りが発生しないため、膜質の均一性は確保される。なお前述のように、電気機械変換膜は電極上に形成される。
<(2) Film formation process>
In the film forming step (2), the solvent component of the applied sol-gel solution is removed and dried to form a film.
After the PZT precursor solution is applied on the electrode by a solution coating method such as spin coating, the solvent is dried and removed to form a film made of the PZT precursor.
The solvent can be dried and removed at about 120 ° C. That is, this drying step is desirably performed at a temperature lower than the boiling point of methoxyethanol as a solvent. The drying step is not particularly limited as long as the solvent can be removed. For example, it can be carried out using a hot plate apparatus, and since drying is near 100 ° C., the substrate provided with electrodes on the surface does not warp, so that the uniformity of the film quality is ensured. As described above, the electromechanical conversion film is formed on the electrode.
<(3)第1の仮焼成工程>
(3)の第1の仮焼成工程では、形成された膜をホットプレート装置により加熱し、複合酸化物前駆体の構成成分として結合している有機成分を取り除いて複合酸化物からなる非晶質の膜を形成する。
第1の仮焼成工程では、ホットプレート装置のホットプレート面に、前述の前駆体からなる膜が形成された電極支持基板を直接接触させて加熱し、前駆体構成成分として結合している有機成分(アルコシキ基やアセトキシ基等)を熱分解し、非晶質の膜を形成する。
第1の仮焼成工程におけるホットプレート装置による加熱(熱分解)温度は400℃〜500℃が好ましく、400℃〜480℃がより好ましい。加熱(熱分解)温度が400℃よりも低いと、ゾルゲル液に含まれる有機成分が分解されず、その有機成分がPZT前駆体中に残留することで不純物となり、以降のプロセスを経て形成される電気機械変換膜の誘電損失が大きくなる傾向があり、一方、500℃を超えると、パイロクロア相(準安定相)の発生により、電気機械変換膜を構成するべき安定相が阻害されて圧電定数が低下(d31が劣化)する。このため、電気機械変換素子として用いた場合に、液体吐出ヘッドの特性として不十分となる。
すなわち、第1の仮焼成工程をホットプレート装置で実施することにより生産性の面で優位とすることができる。また、一度の塗布工程で厚さ100nm以下程度とされて形成された膜を、基板を介してホットプレート装置に直接接触させて400℃〜500℃の温度条件で加熱すれば、基板の反りが回避される。これにより、基板全面がホットプレート面と接触するために温度差が生じず、基板面内での複合酸化物の第1の仮焼成工程(熱分解)後の状態が同じであり、複合酸化物(非晶質)の膜質が均一になる。
<(3) First temporary firing step>
In the first pre-baking step (3), the formed film is heated by a hot plate apparatus to remove the organic component bonded as a constituent component of the composite oxide precursor and to form an amorphous material composed of the composite oxide. The film is formed.
In the first pre-baking step, the electrode support substrate on which the above-described precursor film is formed is directly brought into contact with the hot plate surface of the hot plate apparatus and heated to bond the organic component as a precursor constituent component Thermal decomposition of (alkoxy group, acetoxy group, etc.) forms an amorphous film.
The heating (pyrolysis) temperature by the hot plate apparatus in the first calcination step is preferably 400 ° C to 500 ° C, more preferably 400 ° C to 480 ° C. When the heating (pyrolysis) temperature is lower than 400 ° C., the organic component contained in the sol-gel liquid is not decomposed, and the organic component remains in the PZT precursor and becomes an impurity, which is formed through subsequent processes. The dielectric loss of the electromechanical conversion film tends to increase. On the other hand, when the temperature exceeds 500 ° C., the stable phase that should constitute the electromechanical conversion film is hindered by the generation of the pyrochlore phase (metastable phase), and the piezoelectric constant Decrease (d31 deteriorates). For this reason, when used as an electromechanical conversion element, the characteristics of the liquid discharge head are insufficient.
That is, it is possible to give an advantage in terms of productivity by performing the first temporary baking step with a hot plate apparatus. Further, if a film formed with a thickness of about 100 nm or less in a single coating process is directly brought into contact with a hot plate apparatus through a substrate and heated at a temperature of 400 ° C. to 500 ° C., the substrate is warped. Avoided. As a result, since the entire surface of the substrate is in contact with the hot plate surface, no temperature difference occurs, and the state after the first calcination step (thermal decomposition) of the composite oxide in the substrate surface is the same. (Amorphous) film quality becomes uniform.
また、ホットプレート装置による焼成では、通常ホットプレート面と基板を接触させて加熱するが、基板面内における膜質の均一性をより一層向上するために、ホットプレート面と基板の間にクリアランスを設け、対流(非接触)により加熱することもできる。 In the baking by the hot plate apparatus, the hot plate surface and the substrate are usually brought into contact with each other and heated. In order to further improve the uniformity of the film quality in the substrate surface, a clearance is provided between the hot plate surface and the substrate. It is also possible to heat by convection (non-contact).
<(4)積層膜形成工程>
(4)の積層膜形成工程では、上記工程(1)乃至(3)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の非晶質の積層膜を形成する。
本発明の製造方法において、クラックの発生しない電気機械変換膜を得るには、一度の塗布工程で100nm程度以下の膜厚が得られるように制御することが好ましい。
電気機械変換膜の膜厚としては0.5μm〜5μmが好ましく、より好ましくは1μm〜2μmである。この範囲より膜厚が薄いと十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より膜厚が厚いと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。すなわち、電気機械変換膜、例えば、PZT膜の膜厚を1μm〜2μm程度とすればこの膜厚を得るには十数回(サイクル)同様の工程を繰り返す必要がある。
<(4) Laminated film forming step>
In the laminated film forming step (4), the above steps (1) to (3) are repeated at least once to form an amorphous laminated film having a desired film thickness.
In the production method of the present invention, in order to obtain an electromechanical conversion film free from cracks, it is preferable to control so as to obtain a film thickness of about 100 nm or less in a single coating process.
The film thickness of the electromechanical conversion film is preferably 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 μm to 2 μm. If the film thickness is thinner than this range, sufficient displacement cannot be generated. If the film thickness is thicker than this range, many layers are stacked, so that the number of processes increases and the process time becomes longer. That is, if the film thickness of an electromechanical conversion film, for example, a PZT film is set to about 1 μm to 2 μm, the same process needs to be repeated ten times (cycles) to obtain this film thickness.
前述のように、一度の塗布工程で100nm程度の膜厚とすることが望ましいことから、上記工程(1)乃至(3)を繰り返して非晶質の積層膜を形成することになる。
例えば、ゾルゲル液を基板に設けられた電極上に塗布した後、溶媒成分を120℃程度で除去・乾燥して成膜し、450℃程度に設定したホットプレート上で仮焼成して100nm程度の非晶質膜とするサイクルを3回繰り返せば300nm程度の非晶質積層膜が形成される。このようにして非晶質積層膜を形成すれば、基板面の温度は中心部と外周部で大きな差が発生しないため、均質な膜が得られる。例えば、上記工程(1)乃至(3)を3サイクル繰り返した後、次工程の第2の仮焼成工程に移ることもできる。
As described above, since it is desirable that the film thickness be about 100 nm in a single coating step, the above steps (1) to (3) are repeated to form an amorphous laminated film.
For example, after applying a sol-gel solution on an electrode provided on a substrate, the solvent component is removed and dried at about 120 ° C. to form a film, and pre-baked on a hot plate set at about 450 ° C. to about 100 nm. If the cycle for forming an amorphous film is repeated three times, an amorphous laminated film of about 300 nm is formed. If an amorphous laminated film is formed in this way, the substrate surface temperature does not vary greatly between the central portion and the outer peripheral portion, so that a uniform film can be obtained. For example, after repeating the above steps (1) to (3) for 3 cycles, it is possible to move to the second pre-baking step of the next step.
<(5)第2の仮焼成工程。>
(5)の第2の仮焼成工程は、得られた非晶質の積層膜全体をRTA装置により加熱し、均一に熱分解する。第2の仮焼成工程では、RTA装置により、非接触状態で積層膜全体を輻射熱で加熱し、さらに熱分解反応を進めて均一な非晶質の複合酸化物を形成する。
第2の仮焼成工程における加熱(熱分解)温度は第1の仮焼成工程の加熱温度よりも高く、且つ530℃以下で実施することが好ましい。第1の仮焼成工程の加熱温度よりも高く、530℃よりも低い温度とすることにより、第1の仮焼成工程にて残留した有機成分を分解でき、その分解が基板面内で均一に行われるようにすることができる。
例えば、第1の仮焼成工程で450℃程度に設定して加熱(焼成)した場合、RTA装置の熱輻射による温度を480℃程度に設定して加熱(焼成)すれば、基板中心部と外周部での温度に差異は生じないため、均質な膜が得られる。
第2の仮焼成工程で用いられるRTA装置を、次工程の(6)本焼成工程にも兼用することができる。この場合の装置仕様(スペック)としては更に高温(例えば、700℃程度以上)の加熱が可能なランプを装備有することが必要である。このようなRTA装置を用いれば、第2の仮焼成工程を実施(例えば、480℃程度)した後、そのまま昇温(例えば、700℃程度)して次の本焼成工程を続けて実施することができる。
<(5) 2nd temporary baking process. >
In the second pre-baking step (5), the entire amorphous laminated film obtained is heated by an RTA apparatus and uniformly pyrolyzed. In the second pre-baking step, the entire laminated film is heated with radiant heat in a non-contact state using an RTA apparatus, and further a thermal decomposition reaction is performed to form a uniform amorphous composite oxide.
The heating (pyrolysis) temperature in the second pre-baking step is preferably higher than the heating temperature in the first pre-baking step and not higher than 530 ° C. By setting the temperature higher than the heating temperature of the first preliminary baking step and lower than 530 ° C., the organic components remaining in the first preliminary baking step can be decomposed, and the decomposition is performed uniformly within the substrate surface. It can be made to be.
For example, when heating (firing) is set to about 450 ° C. in the first preliminary baking step, heating and baking is performed with the temperature by thermal radiation of the RTA apparatus set to about 480 ° C. Since there is no difference in temperature at the part, a homogeneous film can be obtained.
The RTA apparatus used in the second preliminary firing step can also be used for the next (6) main firing step. In this case, it is necessary to equip with a lamp capable of heating at a higher temperature (for example, about 700 ° C. or higher) as a device specification (spec). If such an RTA apparatus is used, after the second preliminary firing step (for example, about 480 ° C.) is performed, the temperature is increased as it is (for example, about 700 ° C.) and the next main firing step is continuously performed. Can do.
RTA装置は輻射熱源としてランプを有するが、ランプの位置によって、基板表面に対して上から加熱する方式、下から加熱する方式、上下から加熱する方式がある。いずれの仕様(スペック)のものも使用できるが、これらの中では上下加熱の方式が一番基板の均熱が取りやすいため、上下加熱方式はなお好ましい。
第2の仮焼成工程をRTA装置で実施すると、非接触の熱輻射で加熱するため、仮に基板に反りが発生しても、温度バラツキが発生しにくい。そのため、RTAで第2の仮焼成工程を実施することにより、基板面内における膜質の均一性が向上する。
RTA装置は、急速加熱(例えば、10℃/秒〜30℃/秒程度)により焼成が可能であることから、パイロクロア相の発生が回避でき、所望とする特性を有する複合酸化物膜を形成することができる。
なお、RTA装置はランプをカバーするための石英チャンバーを備えており、複合酸化物膜が形成された基板はそのチャンバー内で加熱されることになる。そのため、熱分解したときの揮発成分がチャンバー内に付着して汚染しやすい。この汚染により、熱輻射のエネルギーが吸収されて基板が加熱されにくくなるため、チャンバーの手入れが必要であること、チャンバー内の雰囲気を入れ替えるためのキャリアガス導入が必要であることなどのメンテナンスについて考慮しておく必要がある。
The RTA apparatus has a lamp as a radiant heat source. Depending on the position of the lamp, there are a method of heating the substrate surface from above, a method of heating from below, and a method of heating from above and below. Any specification can be used, but among these, the up-and-down heating method is the most preferable because the top-and-bottom heating method is the easiest to obtain uniform temperature of the substrate.
When the second pre-baking step is performed with an RTA apparatus, heating is performed by non-contact thermal radiation, so that even if the substrate is warped, temperature variations are unlikely to occur. For this reason, the uniformity of the film quality in the substrate surface is improved by performing the second temporary baking step by RTA.
Since the RTA apparatus can be fired by rapid heating (for example, about 10 ° C./second to about 30 ° C./second), generation of a pyrochlore phase can be avoided and a composite oxide film having desired characteristics can be formed. be able to.
Note that the RTA apparatus includes a quartz chamber for covering the lamp, and the substrate on which the complex oxide film is formed is heated in the chamber. Therefore, volatile components when pyrolyzed adhere to the inside of the chamber and are easily contaminated. This contamination absorbs heat radiation energy and makes it difficult for the substrate to be heated. Consider maintenance such as the need to clean the chamber and the introduction of a carrier gas to change the atmosphere in the chamber. It is necessary to keep it.
<(6)本焼成工程>
(6)の本焼成工程は、上記工程(5)で得られた非晶質の積層膜に対して焼成(アニール)を施し、結晶質膜に変換する。
前述のように、第2の仮焼成工程で用いられるRTA装置を本焼成工程にも兼用することができる。RTA装置を用いれば、第2の仮焼成工程を、例えば、480℃程度で実施した後、そのまま温度を700℃程度に昇温して本焼成工程を続けて実施することができる。
上記工程(5)で得られた非晶質の積層膜をRTA装置でそのまま700℃まで昇温して本焼成を実施すれば、基板面内における膜質の均一性が維持された結晶質膜に変換され、上記工程(1)乃至(3)が3サイクル繰り返されたものであれば、膜厚300nm程度となる。
<(6) Main firing step>
In the main firing step (6), the amorphous laminated film obtained in the step (5) is fired (annealed) to be converted into a crystalline film.
As described above, the RTA apparatus used in the second preliminary firing step can also be used for the main firing step. If the RTA apparatus is used, the second preliminary baking step can be performed at about 480 ° C., for example, and then the temperature can be raised to about 700 ° C. to continue the main baking step.
If the amorphous laminated film obtained in the above step (5) is heated up to 700 ° C. as it is with an RTA apparatus and subjected to main firing, a crystalline film in which the uniformity of film quality within the substrate surface is maintained can be obtained. If converted and the above steps (1) to (3) are repeated three cycles, the film thickness is about 300 nm.
なお、液体吐出ヘッドの圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出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が知られているが、ピエゾ型のものには、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型、d33方向の変形を利用した縦振動型、剪断変形を利用したシェアモード型等が挙げられる。
本発明の製造方法により得られる電気機械変換膜としては、例えば、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型の特性を有するものが挙げられる。本発明においては、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型を主体として電気機械変換膜について説明する。
The pressure generating means of the liquid discharge head is a piezoelectric type that discharges ink droplets by deforming and displacing the diaphragm forming the wall surface of the discharge chamber using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element. As known, the piezoelectric type includes a transverse vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction, a longitudinal vibration type utilizing deformation in the d33 direction, and a shear mode type utilizing shear deformation. It is done.
As an electromechanical conversion film obtained by the production method of the present invention, for example, a film having a transverse vibration (bend mode) type characteristic utilizing deformation in the d31 direction can be cited. In the present invention, the electromechanical conversion film will be described mainly with a transverse vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction.
<(7)積層膜形成工程>
工程(1)乃至(6)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の結晶質の積層膜を形成する。
例えば、記工程(1)乃至(3)が3サイクル繰り返され、工程(1)乃至(6)が6サイクル繰り返されたものであれば、膜厚1.8μm程度となる。
<(7) Laminated film forming step>
Steps (1) to (6) are repeated at least once to form a crystalline laminated film having a desired film thickness.
For example, if the steps (1) to (3) are repeated 3 cycles and the steps (1) to (6) are repeated 6 cycles, the film thickness is about 1.8 μm.
(7)の積層膜形成工程により製造された結晶質の積層膜上に上部電極をパターニング形成することで、電気機械変換素子が構成される。
PZT前駆体溶液を用いて前述のように第1の仮焼成工程(ホットプレート装置)による加熱温度を450℃程度に設定し、第2の仮焼成工程(RTA装置)による加熱温度を480℃程度に設定して非晶質膜とし、700℃程度で本焼成(例えば、RTA装置)して晶質膜とするサイクルを繰り返せば、基板中心部と外周部での温度に差異は生じないため、均質な膜が得られる。例えば、基板の中心部と外周部の電気特性(比誘電率、誘電損失、残留分極、抗電界)にほとんどばらつきがなく、通常のセラミック焼結体と同等の特性を示す。また、圧電定数d31も基板の中心部と外周部でほぼ同じ値(例えば、−120pm/V程度)を示し、セラミック焼結体と同等の値である。
An electromechanical transducer is formed by patterning the upper electrode on the crystalline laminated film produced by the laminated film forming step (7).
As described above, using the PZT precursor solution, the heating temperature in the first preliminary baking step (hot plate apparatus) is set to about 450 ° C., and the heating temperature in the second temporary baking step (RTA apparatus) is about 480 ° C. If the cycle is set to be an amorphous film and the film is fired at about 700 ° C. (for example, an RTA apparatus) to be a crystalline film, there is no difference in temperature between the central portion and the outer peripheral portion of the substrate. A homogeneous film is obtained. For example, there is almost no variation in electrical characteristics (relative permittivity, dielectric loss, remanent polarization, coercive electric field) between the central portion and the outer peripheral portion of the substrate, and the same characteristics as a normal ceramic sintered body are exhibited. The piezoelectric constant d31 also shows substantially the same value (for example, about -120 pm / V) at the center and the outer periphery of the substrate, and is the same value as the ceramic sintered body.
本発明の電気機械変換素子は、上記本発明の製造方法により得られた電気機械変換膜を電極間(対向配置された電極:下部電極と上部電極)に挟持した構成からなる。このような電気機械変換素子を用いて液体吐出ヘッドが構成される。
図2の概略図に、本発明の電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの構成例を示す。
電気機械変換素子40は、圧力室21の一部を構成する振動板30上に密着層41を介して、下部電極42、電気機械変換膜43、上部電極44、が順次積層された構造からなっている。なお、圧力室21は、圧力室基板〔Si基板〕20、ノズル11が設けられたノズル板10を有する。
以下、前述した電気機械変換膜以外の各構成層について説明する。
The electromechanical conversion element of the present invention has a configuration in which an electromechanical conversion film obtained by the production method of the present invention is sandwiched between electrodes (electrodes arranged oppositely: a lower electrode and an upper electrode). A liquid discharge head is configured using such an electromechanical transducer.
The schematic diagram of FIG. 2 shows a configuration example of a droplet discharge head including the electromechanical transducer of the present invention.
The electromechanical conversion element 40 has a structure in which a lower electrode 42, an electromechanical conversion film 43, and an upper electrode 44 are sequentially stacked on a vibration plate 30 constituting a part of the pressure chamber 21 via an adhesion layer 41. ing. The pressure chamber 21 includes a pressure chamber substrate [Si substrate] 20 and a nozzle plate 10 provided with nozzles 11.
Hereinafter, each constituent layer other than the electromechanical conversion film described above will be described.
(圧力室基板〔Si基板〕)
圧力室基板〔Si基板〕20としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常600μm〜800μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、本構成においては、主に(111)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。
また、図1に示すような圧力室を作製する場合、例えば、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工することができる。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。
(Pressure chamber substrate [Si substrate])
As the pressure chamber substrate [Si substrate] 20, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 600 μm to 800 μm. There are three types of plane orientations, (100), (110), and (111). In this configuration, a single crystal substrate mainly having a (111) plane orientation is mainly used.
Further, when a pressure chamber as shown in FIG. 1 is manufactured, for example, a silicon single crystal substrate can be processed using etching. As an etching method in this case, it is common to use anisotropic etching. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure.
(振動板)
シリコン基板(Si基板)、すなわち圧力室基板〔Si基板〕20上に配置する振動板30は、厚さが数ミクロンでシリコン酸化膜や、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、およびこれら各膜を積層した膜でもよい。また、熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜などのセラミック膜でもよい。これら材料は絶縁体である。
シリコン系絶縁膜は熱酸化膜、CVD(Chemical Vapor Deposition)堆積膜を用い、金属酸化膜はスパッタリング法で成膜することができる。
振動板30は、図1に示すように電気機械変換膜43によって発生した力を受けて変形変位して、圧力室21のインクを吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。例えば、圧力室基板20を構成するために用いられるSiウエハを熱酸化して形成した膜(SiO2)などが用いられる。
特に、電気機械変換膜43の材料としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が使用される場合には、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6(1/K)程度の線膨張係数を有する材料が好ましい。
(Diaphragm)
A vibration plate 30 disposed on a silicon substrate (Si substrate), that is, a pressure chamber substrate [Si substrate] 20, has a thickness of several microns and includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and each of these films. A laminated film may be used. Further, a ceramic film such as an aluminum oxide film or a zirconia film in consideration of a difference in thermal expansion may be used. These materials are insulators.
The silicon-based insulating film may be a thermal oxide film or a CVD (Chemical Vapor Deposition) deposited film, and the metal oxide film may be formed by a sputtering method.
As shown in FIG. 1, the vibration plate 30 is deformed and displaced by the force generated by the electromechanical conversion film 43, and discharges ink in the pressure chamber 21. Therefore, it is preferable that the base has a predetermined strength. For example, a film (SiO 2 ) formed by thermally oxidizing a Si wafer used for forming the pressure chamber substrate 20 is used.
In particular, when lead zirconate titanate (PZT) is used as the material of the electromechanical conversion film 43, the linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K) of PZT is 5 ×. A material having a linear expansion coefficient of about 10 −6 to 10 × 10 −6 (1 / K) is preferable.
(密着層)
本発明における下部電極42として、後述のように白金族電極が好ましく用いられるが、電極に白金を用いる場合、下地(振動板)、特にSiO2との密着性が悪いため、密着層を設ける必要がある。
密着層41としては、チタン、タンタル等の金属材料や、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタルやこれら積層膜が有効であるが、導電性酸化物の場合には、振動板が同じ酸化物(シリコン酸化物)であるため、これら密着層を配置しなくても十分な膜密着力が得られる。図1の構成では白金族電極を用いる場合を想定して密着層41、例えば、チタン(Ti)膜を設けている。
ここで、密着層の膜厚としては、20nm〜70nmが好ましい。この範囲より膜厚が薄い場合には、密着性に懸念があり、この範囲より膜厚が厚い場合には、密着層上に形成する下部電極42に影響が出てくる。
(Adhesion layer)
As described below, a platinum group electrode is preferably used as the lower electrode 42 in the present invention. However, when platinum is used for the electrode, it is necessary to provide an adhesion layer because of poor adhesion to the base (vibration plate), particularly SiO 2. There is.
As the adhesion layer 41, a metal material such as titanium or tantalum, titanium oxide, tantalum oxide, titanium nitride, tantalum nitride, or a laminated film thereof is effective. However, in the case of a conductive oxide, the diaphragm is the same oxide. Since it is an object (silicon oxide), sufficient film adhesion can be obtained without arranging these adhesion layers. In the configuration of FIG. 1, an adhesion layer 41, for example, a titanium (Ti) film is provided assuming that a platinum group electrode is used.
Here, the thickness of the adhesion layer is preferably 20 nm to 70 nm. When the film thickness is smaller than this range, there is a concern about the adhesion, and when the film thickness is larger than this range, the lower electrode 42 formed on the adhesion layer is affected.
(下部電極)
下部電極42は、電気機械変換素子に信号入力する際の共通電極として電気的接続をするので、その下にある振動板30は絶縁体か、もしくは導体であれば絶縁処理を施して用いることになる。
下部電極42としては、高い耐熱性と低い反応性を有する白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等の単金属からなる白金族電極や、白金−ロジウムなどの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料からなる電極を用いることができる。本発明では導電性酸化物膜の上に堆積させた形態でもよい。
なお、電気機械変換膜にPZTを用いた場合、PZTに含有される鉛(Pb)に対して、白金電極では十分なバリア性を有するとはいえない場合があるので、必要に応じて上記他の白金族からなる電極を用いることができる。また、白金電極表面に、鉛(Pb)に対してバリア性を有する導電性材料膜(例えば、導電性酸化物)を設けてもよい。このような方法により、下部電極に白金を用い、電気機械変換膜にPZTを用いた場合でも金属電極の特性が劣化することは回避される。
図2においては、振動板(例えば、Si基板上に形成されたSiO2膜)上に密着層41を形成しているため、下部電極42に白金を使用する場合においても、振動板30との密着性を良好に維持することができる。
下部電極42の電極の作製方法としては、一般的なスパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が適用できる。下部電極42の膜厚としては、100nm〜300nm程度が好ましい。
(Lower electrode)
Since the lower electrode 42 is electrically connected as a common electrode for inputting a signal to the electromechanical transducer, the diaphragm 30 below the insulator is used as an insulator or an insulator if it is a conductor. Become.
As the lower electrode 42, a platinum group electrode made of a single metal such as platinum, rhodium, ruthenium or iridium having high heat resistance and low reactivity, or other platinum group elements mainly composed of platinum such as platinum-rhodium An electrode made of any of the above alloy materials can be used. In this invention, the form deposited on the electroconductive oxide film may be sufficient.
In addition, when PZT is used for the electromechanical conversion film, it may not be said that the platinum electrode has sufficient barrier properties with respect to lead (Pb) contained in PZT. It is possible to use an electrode made of a platinum group. Further, a conductive material film (for example, a conductive oxide) having a barrier property against lead (Pb) may be provided on the surface of the platinum electrode. By such a method, even when platinum is used for the lower electrode and PZT is used for the electromechanical conversion film, deterioration of the characteristics of the metal electrode is avoided.
In FIG. 2, since the adhesion layer 41 is formed on the vibration plate (for example, SiO 2 film formed on the Si substrate), even when platinum is used for the lower electrode 42, Adhesion can be maintained well.
As a method for manufacturing the electrode of the lower electrode 42, a general sputtering method or vacuum film formation such as vacuum deposition can be applied. The film thickness of the lower electrode 42 is preferably about 100 nm to 300 nm.
(上部電極)
上部電極44としては、上記下部電極42と同様の材料(白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等の単金属からなる白金族電極や、白金−ロジウムなどの合金膜からなる電極)を用いることができる。
また、前述のように電気機械変換膜として、鉛を含む複合酸化物(PZT)を使用する場合、鉛と上部電極(金属)との反応、もしくは上部電極への拡散が生じて圧電特性を劣化させる場合があるので、必要に応じて鉛(Pb)に対してバリア性を有する導電性材料(例えば、導電性酸化物)を用いることもできる。
(Upper electrode)
As the upper electrode 44, the same material as the lower electrode 42 (a platinum group electrode made of a single metal such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, or an electrode made of an alloy film such as platinum-rhodium) can be used.
In addition, as described above, when a complex oxide (PZT) containing lead is used as the electromechanical conversion film, the reaction between lead and the upper electrode (metal) or diffusion to the upper electrode occurs to deteriorate the piezoelectric characteristics. Therefore, a conductive material (for example, a conductive oxide) having a barrier property against lead (Pb) can be used as necessary.
インクジェット記録装置は、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。
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(圧力室)と、液室内のインクを吐出するための圧力発生手段で構成されている。
なお、圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて液室(圧力室)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、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気−熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型(サーマル型)のものなどがある。更にピエゾ型のものにはd33方向の変形を利用した縦振動型、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等があるが、最近では半導体プロセスやMEMSの進歩により、Si基板に直接液室およびピエゾ素子を作り込んだ薄膜アクチュエータも考案されている。
本発明において好ましい電気機械変換素子としては、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型が挙げられる。
すなわち、本発明の製造方法により作製された電気機械変換膜を電極間に挟持して電気機械変換素子とし、液体吐出ヘッドを構成することができる。
本発明の液体吐出ヘッドは、圧力室の一部を構成する振動板上に、必要により密着層を介して、下部電極、電気機械変換膜、上部電極が順次積層されてなる電気機械変換素子が設けられたた構造を有する(図2参照)。
図2に示す単体の液体吐出ヘッドを複数個配置したものを図3に示す。図3において、符号21は圧力室、10はノズル板、11はノズル、20は圧力室基板〔Si基板〕、30は振動板、40は電気機械変換素子を示す。
本発明の面内均一性が高い電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子を用いて液体吐出ヘッドを構成すれば、セラミック焼結体と同等の駆動力によりインク滴吐出特性を保持でき、連続吐出しても安定したインク滴吐出特性を維持することができる。
The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise and high-speed printing, and furthermore, an inexpensive plain paper having a degree of freedom of ink can be used.
A liquid discharge head used in an ink jet recording apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets, a liquid chamber (pressure chamber) that communicates with the nozzle, and a pressure generating unit that discharges ink in the liquid chamber.
The pressure generating means is a piezo-type device that discharges ink droplets by deforming and displacing the diaphragm forming the wall surface of the liquid chamber (pressure chamber) using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element. There is a bubble type (thermal type) in which bubbles are generated by boiling an ink film by using an electric-thermal conversion element such as a heating resistor disposed in the discharge to discharge ink droplets. In addition, the piezoelectric type includes a longitudinal vibration type using deformation in the d33 direction, a transverse vibration (bend mode) type using deformation in the d31 direction, and a shear mode type using shear deformation. With the progress of semiconductor processes and MEMS, thin film actuators in which a liquid chamber and a piezoelectric element are directly formed on a Si substrate have been devised.
A preferable electromechanical transducer in the present invention includes a transverse vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction.
That is, the electromechanical conversion film produced by the manufacturing method of the present invention is sandwiched between electrodes to form an electromechanical conversion element, and a liquid discharge head can be configured.
The liquid discharge head according to the present invention includes an electromechanical conversion element in which a lower electrode, an electromechanical conversion film, and an upper electrode are sequentially stacked on a diaphragm constituting a part of a pressure chamber, if necessary, with an adhesion layer. It has a provided structure (see FIG. 2).
FIG. 3 shows a plurality of single liquid ejection heads shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 21 is a pressure chamber, 10 is a nozzle plate, 11 is a nozzle, 20 is a pressure chamber substrate (Si substrate), 30 is a diaphragm, and 40 is an electromechanical transducer.
If a liquid discharge head is configured using an electromechanical conversion element having an electromechanical conversion film with high in-plane uniformity of the present invention, ink droplet discharge characteristics can be maintained with a driving force equivalent to that of a ceramic sintered body, and continuous. Even when ejected, stable ink droplet ejection characteristics can be maintained.
また、液体吐出ヘッドを配備することにより、インクジエット記録装置を構成することができる。
本発明の液体吐出ヘッドを用いれば、吐出安定性、耐久性、および画像品質が良好であるため、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等のインクジェット記録装置に応用できる。
本発明の液体吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図4及び図5を参照して説明する。なお、図4は同記録装置の斜視説明図、図5は同記録装置の機構部の側面説明図である。
In addition, an ink jet recording apparatus can be configured by providing a liquid discharge head.
If the liquid ejection head of the present invention is used, the ejection stability, durability, and image quality are good, so that the liquid ejection head can be applied to printers used in offices and personal computers, and inkjet recording apparatuses such as MFPs.
An example of an ink jet recording apparatus equipped with the liquid discharge head of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 is an explanatory perspective view of the recording apparatus, and FIG. 5 is an explanatory side view of a mechanism portion of the recording apparatus.
このインクジェット記録装置は、装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ93、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる液体吐出ヘッド94、この液体吐出ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納し、装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。 The ink jet recording apparatus includes a carriage 93 that can move in the main scanning direction inside an apparatus main body 81, a liquid discharge head 94 that is an ink jet head that implements the present invention mounted on the carriage, and ink that supplies ink to the liquid discharge head. A paper feed cassette (or a paper feed tray) 84 that accommodates a printing mechanism portion 82 including a cartridge 95 and the like, and can stack a large number of sheets 83 from the front side in the lower portion of the apparatus main body 81. It can be inserted and removed freely, and the manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be opened, the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, After a required image is recorded by the printing mechanism unit 82, the image is discharged onto a paper discharge tray 86 mounted on the rear side.
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液体吐出ヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ93にはヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。 The printing mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The liquid discharge head 94 according to the present invention that discharges ink droplets of each color (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) crosses a plurality of ink discharge ports (nozzles) with the main scanning direction. The ink droplets are mounted with the ink droplet discharge direction facing downward. In addition, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.
インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する大気口、下方には液体吐出ヘッド94へインクを供給する供給口、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッド94に供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の液体吐出ヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。 The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere above, a supply port that supplies ink to the liquid discharge head 94 below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the liquid discharge head 94 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force. In addition, although the liquid discharge heads 94 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles that discharge ink droplets of the respective colors may be used.
ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。 Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. The carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.
一方、給紙カセット84にセットした用紙83を液体吐出ヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。 On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the liquid discharge head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84, and the paper 83 A guide member 103 for guiding, a conveyance roller 104 for reversing and conveying the fed paper 83, a conveyance roller 105 pressed against the peripheral surface of the conveyance roller 104, and a feed angle of the sheet 83 from the conveyance roller 104 are defined. A leading end roller 106 is provided. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.
そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液体吐出ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。 A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the liquid discharge head 94 corresponding to the range of movement of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.
記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。 During recording, the liquid ejection head 94 is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 93 to eject ink onto the stopped sheet 83 to record one line, and after the sheet 83 is conveyed by a predetermined amount Record the next line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.
また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液体吐出ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で液体吐出ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液体吐出ヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
Further, a recovery device 117 for recovering the ejection failure of the liquid ejection head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 117 side during printing standby, and the liquid ejection head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the liquid discharge head 94 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with a suction unit through the tube. Dust and the like are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
このように、本発明のインクジェット記録装置においては、本発明の液体吐出ヘッド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, since the ink jet recording apparatus of the present invention is equipped with the liquid ejection head of the present invention, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and stable ink droplet ejection characteristics can be obtained. Quality is improved.
以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない限りこれらの実施例を適宜改変したものも本件の発明の範囲内である。
以下、本発明の実施例に関して図面(図1)を参照して説明する。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all. Any modification of these embodiments as appropriate without departing from the gist of the present invention is within the scope of the present invention.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings (FIG. 1).
[実施例1]
以下の手順でゾルゲル法により電気機械変換膜を作製し、電気機械変換素子を構成した。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。
シリコンウエハ(Siウエハ)に熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、熱酸化膜上に密着層としてチタン膜(膜厚50nm)をスパッタ成膜した。引続きチタン膜上に下部電極として白金膜(膜厚200nm)をスパッタ成膜した。なお、熱酸化膜が形成された一面は、後の加工処理を経て振動板としての役割を担う。
次に、下部電極上に電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液を電極上に塗布(塗布工程)した後、塗布したゾルゲル液の溶媒成分を除去・乾燥して成膜した(膜形成工程)。
具体的には、電気機械変換膜としてPZT(53/47)を形成した。したがって、電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液(略称: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。
PZT前駆体溶液は、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、上記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合成した。このPZT濃度は0.1モル/lにした。
このPZT前駆体溶液を白金膜(下部電極)上にスピンコートして塗布した後、120℃で溶媒成分を除去・乾燥して成膜した。この膜形成工程(乾燥工程)は、溶媒であるメトキシエタノールの沸点より、低い温度で実施することが望ましい。また、乾燥工程はホットプレートで実施しているが、120℃と低く100℃台であることから基板(シリコンウェハ)には反りが発生しないため、膜質の均一性は確保される。
[Example 1]
An electromechanical conversion film was prepared by the sol-gel method according to the following procedure to constitute an electromechanical conversion element. The electromechanical transducer is a lateral vibration (bend mode) type utilizing deformation in the d31 direction.
A thermal oxide film (film thickness of 1 micron) was formed on a silicon wafer (Si wafer), and a titanium film (film thickness of 50 nm) was formed by sputtering as an adhesion layer on the thermal oxide film. Subsequently, a platinum film (thickness: 200 nm) was formed as a lower electrode on the titanium film by sputtering. Note that the surface on which the thermal oxide film is formed plays a role as a diaphragm after subsequent processing.
Next, a sol-gel solution containing a composite oxide precursor for forming an electromechanical conversion film is applied on the lower electrode (application process), and then the solvent component of the applied sol-gel liquid is removed and dried. Filmed (film forming process).
Specifically, PZT (53/47) was formed as an electromechanical conversion film. Therefore, the synthesis of a sol-gel solution (abbreviation: PZT precursor solution) containing a complex oxide precursor for forming an electromechanical conversion film is composed of lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, isopropoxide zirconium as starting materials. Was used. 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.
The PZT precursor solution was synthesized by dissolving isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.1 mol / l.
This PZT precursor solution was spin-coated on a platinum film (lower electrode), and then the solvent component was removed and dried at 120 ° C. to form a film. This film formation step (drying step) is desirably performed at a temperature lower than the boiling point of methoxyethanol as a solvent. In addition, although the drying process is performed on a hot plate, the substrate (silicon wafer) does not warp because it is as low as 120 ° C. and is in the 100 ° C. range, so that the uniformity of the film quality is ensured.
次工程として、第1の仮焼成工程に入る。第1の仮焼成工程について説明する前に、本実施例での流れについて記述する。
本実施例では、「塗布工程(ゾルゲル液を電極上にスピンコート塗布)」と「膜形成工程(溶媒成分除去・乾燥)」と「第1の仮焼成工程(伝導加熱または対流加熱による焼成:ホットプレートにより加熱)」は、これをセット(1サイクルとする)として、繰り返しサイクル毎に上記工程を毎回実施した。
なお、後続する「第2の仮焼成工程(輻射加熱による焼成:RTA装置による加熱)」および「本焼成工程(例えば、RTA装置により焼成)」は、3サイクルに1回で実施した。
本実施例においては、以上のようなフローで製造プロセスを構成しているが、これに限定されるものではなく、あくまでも上記1サイクルで得られるPZTの膜厚によって、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)および本焼成工程(RTA装置による加熱)の繰り返し数は任意に変更できる。
As the next step, the first preliminary firing step is entered. Before describing the first preliminary firing step, the flow in this example will be described.
In this example, “application process (sol-gel solution is spin-coated on electrode)”, “film formation process (solvent component removal / drying)” and “first temporary baking process (firing by conduction heating or convection heating: “Heating by hot plate” ”was performed as a set (one cycle), and the above steps were repeated every cycle.
The subsequent “second preliminary firing step (firing by radiation heating: heating by an RTA device)” and “main firing step (for example, firing by an RTA device)” were performed once every three cycles.
In the present embodiment, the manufacturing process is configured by the flow as described above. However, the manufacturing process is not limited to this, and the second pre-baking step (by the film thickness of PZT obtained in the above one cycle) The number of repetitions of the heating by the RTA apparatus and the main baking process (heating by the RTA apparatus) can be arbitrarily changed.
第1の仮焼成工程では膜形成工程で形成された膜をホットプレート装置により加熱し、上記複合酸化物前駆体の構成成分として結合している有機成分を取り除いて複合酸化物からなる非晶質の膜を形成した。
具体的には、ホットプレート装置を450℃に設定し、ホットプレート上に基板(シリコンウェハ)を3分間置いた。この時に、生じる温度差を熱電対で温度測定したところ、膜形成された基板の中心部と外周部でそれぞれ450℃と445℃であり、大きな差はなかった。
仮焼成工程が終了後、1サイクルで得られた膜厚は100nmであった。この結果から、上記塗布工程(スピンコートによる塗布)〜第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による仮焼成)を3サイクル繰り返した。いわゆる、非晶質の積層膜を形成する積層膜形成工程に該当する。
In the first pre-baking step, the film formed in the film forming step is heated by a hot plate apparatus to remove the organic component bonded as a constituent component of the composite oxide precursor, thereby forming an amorphous material composed of the composite oxide. A film was formed.
Specifically, the hot plate apparatus was set to 450 ° C., and the substrate (silicon wafer) was placed on the hot plate for 3 minutes. At this time, when the temperature difference generated was measured with a thermocouple, it was 450 ° C. and 445 ° C. at the center and the outer periphery of the substrate on which the film was formed, respectively, and there was no significant difference.
After the pre-baking step was completed, the film thickness obtained in one cycle was 100 nm. From this result, the above-described coating process (application by spin coating) to first temporary baking process (temporary baking by a hot plate apparatus) were repeated three cycles. This corresponds to a so-called laminated film forming process for forming an amorphous laminated film.
3サイクル目の第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による仮焼成)が終了後、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)に入った。
第2の仮焼成工程は、上記積層膜形成工程で形成された非晶質の積層膜全体をRTA装置により加熱する工程である。
本実施例でのRTA装置は、上下ランプ設置タイプのものであり、第2の仮焼成工程と、後工程である本焼成工程での使用を兼ねたものとした。そのため、RTA装置内のシーケンスの設定により、第2の仮焼成工程と本焼成工程を続けて実施することができる。
第2の仮焼成工程での積層膜が形成された基板の中心部と外周部での温度は両方とも480℃で同じ温度を示していた。
After the first calcination step (temporary calcination using a hot plate apparatus) in the third cycle, the second calcination process (heating using an RTA apparatus) was started.
The second pre-baking step is a step of heating the entire amorphous laminated film formed in the laminated film forming step with an RTA apparatus.
The RTA apparatus in the present example is of an upper / lower lamp installation type, and serves as both the second temporary firing step and the post-firing main firing step. Therefore, the second preliminary firing step and the main firing step can be performed continuously by setting the sequence in the RTA apparatus.
The temperature at the center and the outer periphery of the substrate on which the laminated film was formed in the second pre-baking step was both 480 ° C., indicating the same temperature.
上記基板をRTA装置に設置した後、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)を480℃で5分間実施した後、そのまま700℃まで昇温し、本焼成工程(RTA装置による加熱)を3分間実施した。本焼成実施後に、得られた膜厚は300nmであった。
上記塗布工程〜第1の仮焼成工程を3サイクル繰り返した後に本焼成工程とする工程を、6回繰り返した。その結果、膜厚1.8μmのPZT膜が得られた。
第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による仮焼成)による熱分解のみの段階で、1.8μmの膜厚を形成した基板をホットプレートに置いたところ反りがあり、このときの中心部と外周部の温度測定をした結果、それぞれで450℃と410℃であった。これは、反りによって基板がホットプレート面と接地している部分としていない部分で若干差があることを示している。
一方、第2の仮焼成工程による熱分解を行った後に、上記同様に測定したところ反りはなく、このときの中心部と外周部の温度測定をした結果、両者とも480℃であり同じ温度を示した。すなわち、RTA仮焼成による熱分解よって、非晶質の積層膜全体における熱分解状態が均一化したことを示した。
After the substrate is placed in the RTA apparatus, the second preliminary baking process (heating by the RTA apparatus) is performed at 480 ° C. for 5 minutes, and then the temperature is raised to 700 ° C. to perform the main baking process (heating by the RTA apparatus). Conducted for 3 minutes. After the main baking, the obtained film thickness was 300 nm.
The step of setting the main baking step after repeating the coating step to the first preliminary baking step three times was repeated six times. As a result, a PZT film having a thickness of 1.8 μm was obtained.
In the stage of only thermal decomposition by the first preliminary baking step (preliminary baking by a hot plate apparatus), there is a warp when a substrate having a film thickness of 1.8 μm is placed on the hot plate, and the center and outer periphery at this time As a result of measuring the temperature of the part, they were 450 ° C. and 410 ° C., respectively. This indicates that there is a slight difference between the portions where the substrate is not in contact with the hot plate surface due to warpage.
On the other hand, after the thermal decomposition by the second calcination step, there was no warp when measured in the same manner as described above. As a result of measuring the temperature at the center and the outer periphery at this time, both were 480 ° C. and the same temperature. Indicated. That is, it was shown that the thermal decomposition state in the whole amorphous laminated film was made uniform by thermal decomposition by RTA calcination.
得られたPZT膜上に上部電極として、白金(P)膜(200nm)をスパッタ成膜した。上部電極をフォトリソグラフィーによりパターニングを実施した。これにより、上部電極と下部電極間にPZTからなる電気機械変換膜が挟持された電気機械変換素子が形成された。図2、図3に示すように、このようにして形成された電気機械変換素子40は、圧力室基板〔Si基板〕20の一面を構成する振動板30上に密着層41を介して配置・構成される。 A platinum (P) film (200 nm) was formed by sputtering as an upper electrode on the obtained PZT film. The upper electrode was patterned by photolithography. As a result, an electromechanical conversion element in which an electromechanical conversion film made of PZT was sandwiched between the upper electrode and the lower electrode was formed. As shown in FIGS. 2 and 3, the electromechanical transducer 40 formed in this way is disposed on the vibration plate 30 constituting one surface of the pressure chamber substrate [Si substrate] 20 via an adhesion layer 41. Composed.
上部電極のパターニング後、基板の中心部と外周部の各々において、電気特性を評価した。中心部の膜の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3μC/cm2、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有する。外周部の膜の比誘電率は1200、誘電損失は0.02、残留分極は19.2μC/cm2、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有する。
仮焼成工程をホットプレート装置とRTA装置を組み合わせた場合の基板の中心部と外周部における各々のP−Eヒステリシス曲線を図6(a)に示す。また、仮焼成工程をホットプレート装置のみで実施した場合のP−Eヒステリシス曲線を図6(b)に示す。
After the patterning of the upper electrode, the electrical characteristics were evaluated at each of the central portion and the outer peripheral portion of the substrate. The relative dielectric constant of the film at the center 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 it has the same characteristics as a normal ceramic sintered body. Have. The outer peripheral film has a relative dielectric constant of 1200, a dielectric loss of 0.02, a remanent polarization of 19.2 μC / cm 2 , a coercive electric field of 36.5 kV / cm, and has the same characteristics as a normal ceramic sintered body. Have.
FIG. 6A shows respective PE hysteresis curves in the central portion and the outer peripheral portion of the substrate when the pre-baking process is combined with a hot plate apparatus and an RTA apparatus. In addition, FIG. 6B shows a PE hysteresis curve when the pre-baking process is performed only with the hot plate apparatus.
電気機械変換能は電界印加による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。その圧電定数d31は中心部では−120pm/Vとなり、外周部でも−119pm/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。これらのバラツキ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。
すなわち、第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による加熱)による熱分解では非晶質の積層膜バラツキはあるものの、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)において改めて熱分解をすることよって、非晶質の積層膜全体における熱分解状態が均一化したことを示している。
The electromechanical conversion ability was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting it by simulation. The piezoelectric constant d31 was -120 pm / V at the center and -119 pm / V at the outer periphery, which was also the same value as the ceramic sintered body. These variations are characteristic values that can be sufficiently designed as a liquid discharge head.
That is, in the thermal decomposition by the first temporary baking process (heating by the hot plate apparatus), although there are variations in the amorphous laminated film, the thermal decomposition is performed again in the second temporary baking process (heating by the RTA apparatus). This shows that the thermal decomposition state in the entire amorphous laminated film is made uniform.
すなわち、本発明のゾルゲル法による製造方法によれば、伝導加熱または対流加熱手段(ホットプレート装置による加熱)の有する利点と、輻射加熱手段(RTA装置による加熱)の有する利点が各々活用され、生産性が高く、基板面内で膜質(複合酸化物、例えば、PZT)の均一性が高い電気機械変換膜が得られる。この電気機械変換膜はセラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持している。 That is, according to the manufacturing method by the sol-gel method of the present invention, the advantages of the conductive heating or convection heating means (heating by the hot plate apparatus) and the advantages of the radiant heating means (heating by the RTA apparatus) are utilized, respectively. Thus, an electromechanical conversion film having high uniformity and high uniformity of film quality (composite oxide, for example, PZT) in the substrate surface can be obtained. This electromechanical conversion film has the same characteristics (piezoelectric constant) as the ceramic sintered body.
[実施例2]
実施例1では、第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による加熱)の温度を450℃で実施したが、温度条件を変え、ホットプレートの温度をそれぞれ、300℃、400℃、500℃、550℃に設定して仮焼成を実施した。その際、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)における焼成の温度は、第1の仮焼成工程におけるホットプレートの設定温度に対して+30℃となるように条件を変更した。つまり、第2の仮焼成工程におけるRTA焼成温度は、それぞれ330℃、430℃、530℃、580℃に設定した。このような各温度条件とした以外は実施例1と同様にしてPZT膜を形成した。
[Example 2]
In Example 1, although the temperature of the 1st temporary baking process (heating with a hotplate apparatus) was implemented at 450 degreeC, temperature conditions were changed and the temperature of a hotplate was 300 degreeC, 400 degreeC, 500 degreeC, and 550, respectively. Preliminary firing was carried out at a setting of ° C. At that time, the conditions were changed so that the firing temperature in the second preliminary firing step (heating by the RTA apparatus) was + 30 ° C. with respect to the set temperature of the hot plate in the first preliminary firing step. That is, the RTA firing temperature in the second preliminary firing step was set to 330 ° C., 430 ° C., 530 ° C., and 580 ° C., respectively. A PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that each temperature condition was set.
ここで、塗布工程(スピンコートによる塗布)−膜形成工程(乾燥工程)−第1の仮焼成工程(ホットプレート装置による加熱)を3サイクル繰り返した後、第2の仮焼成工程(RTA装置による加熱)を実施する前の状態で、XRD(X線回折)により評価を実施した。図7に、ホットプレートの設定温度が500℃と550℃の結果示す。
図7から、500℃のホットプレート装置による仮焼成条件では、パイロクロア相(準安定相)が発生していないにも関わらず、550℃のホットプレート装置による仮焼成条件では発生していることが分かる。このようなパイロクロア相が発生すると、このパイロクロア相は常誘電相の特性があり、所望するペロブスカイト相が持つ強誘電体相と比較すると圧電特性が劣るため好ましくない。
Here, after repeating the coating process (application by spin coating) -film formation process (drying process) -first temporary baking process (heating by a hot plate apparatus) three cycles, the second temporary baking process (by RTA apparatus) Evaluation was performed by XRD (X-ray diffraction) in a state before performing (heating). FIG. 7 shows the results when the set temperatures of the hot plate are 500 ° C. and 550 ° C.
From FIG. 7, it can be seen that under the pre-baking condition with the hot plate apparatus at 550 ° C., the pre-baking condition with the hot plate apparatus at 550 ° C. occurs even though the pyrochlore phase (metastable phase) is not generated. I understand. When such a pyrochlore phase is generated, this pyrochlore phase has the characteristics of a paraelectric phase, which is not preferable because the piezoelectric properties are inferior to the ferroelectric phase of the desired perovskite phase.
上記それぞれの温度条件で図1に示す工程に沿って1.8μmまで成膜し、形成したPZT膜上に、実施例1と同様に上部電極をスパッタ成膜してパターニングを施し、電気機械変換素子とした。この電気機械変換素子の電気特性を評価した。
ホットプレートの設定温度が、300℃、400℃、500℃、580℃の各々における基板の中心部と外周部のP−Eヒステリシス曲線を図8に、圧電定数(d31)を図9に示す。
図8、図9から、300℃の温度条件では誘電損失が大きいことが分かる。これは熱分解の状態が不十分であることを示す。さらに、550℃の温度条件ではパイロクロア相が発生しており、d31が劣化していて、液体吐出ヘッドの特性としては不十分であった。
すなわち、第1の仮焼成工程における加熱温度(ホットプレートの設定温度)としては400℃〜500℃が好ましい。この範囲であれば、誘電損失やd31などの特性が良好に維持され、液体吐出ヘッドとして用いた場合でも振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がない。
Films are formed up to 1.8 μm along the steps shown in FIG. 1 under the above temperature conditions, and an upper electrode is sputter-deposited on the formed PZT film in the same manner as in Example 1 for patterning and electromechanical conversion. It was set as the element. The electrical characteristics of this electromechanical transducer were evaluated.
FIG. 8 shows the PE hysteresis curves of the central part and the outer periphery of the substrate when the set temperature of the hot plate is 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., and 580 ° C., and FIG. 9 shows the piezoelectric constant (d 31).
8 and 9 that the dielectric loss is large under the temperature condition of 300 ° C. This indicates that the state of thermal decomposition is insufficient. Further, under the temperature condition of 550 ° C., a pyrochlore phase was generated, d31 was deteriorated, and the characteristics of the liquid discharge head were insufficient.
That is, the heating temperature (set temperature of the hot plate) in the first temporary baking step is preferably 400 ° C. to 500 ° C. Within this range, characteristics such as dielectric loss and d31 are maintained well, and even when used as a liquid ejection head, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure.
[実施例3]
図1に示す製造プロセスに準拠して、実施例1と同様に電気機械変換膜(PZT膜)を作成し、図3に示す液滴吐出ヘッド(単体の液体吐出ヘッドを複数個配置した構成)の電気機械変換素子(図中40)を形成した。
図中40の電気機械変換素子を構成する電気機械変換膜(PZT膜)は、生産性が高く、複合酸化物膜質の面内均一性が高い製造方法で形成でき、且つ、バルクセラミックスと同等の性能を有する。
電気機械変換素子形成後、基板(Siウエハ)裏面からのエッチング処理により圧力室基板20を形成し、圧力室基板にノズル孔を有するノズル板10を接合することで液体吐出ヘッドができる。なお、図3中には、液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。
液体吐出ヘッドは、バルクセラミックスと同等の性能を有する本発明の電気機械変換膜を用いて構成されているため、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質の向上が期待できる。
[Example 3]
In accordance with the manufacturing process shown in FIG. 1, an electromechanical conversion film (PZT film) is prepared in the same manner as in Example 1, and the droplet discharge head shown in FIG. 3 (a configuration in which a plurality of single liquid discharge heads are arranged) The electromechanical conversion element (40 in the figure) was formed.
The electromechanical conversion film (PZT film) constituting the electromechanical conversion element 40 in the figure has high productivity, can be formed by a manufacturing method with high in-plane uniformity of the composite oxide film quality, and is equivalent to bulk ceramics. Has performance.
After forming the electromechanical conversion element, the pressure chamber substrate 20 is formed by etching from the back surface of the substrate (Si wafer), and the nozzle plate 10 having the nozzle holes is joined to the pressure chamber substrate, whereby a liquid discharge head can be formed. In FIG. 3, descriptions of the liquid supply means, the flow path, and the fluid resistance are omitted.
Since the liquid discharge head is configured using the electromechanical conversion film of the present invention having performance equivalent to that of bulk ceramics, stable ink droplet discharge characteristics can be obtained, and improvement in image quality can be expected.
[実施例4]
実施例3の液体吐出ヘッドを、図4および図5に示す印字機構部82に保持されるキャリッジ93に配列してインクジェット記録装置を構成した。
このインクジェット記録装置を用いて、25℃環境下で2kHzの条件で印字したところ、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、品質の高い画像が形成された。
[Example 4]
An ink jet recording apparatus was configured by arranging the liquid discharge heads of Example 3 on a carriage 93 held by the printing mechanism unit 82 shown in FIGS. 4 and 5.
When this ink jet recording apparatus was used for printing at 2 kHz in an environment of 25 ° C., there was no ink droplet ejection failure due to diaphragm drive failure, stable ink droplet ejection characteristics were obtained, and high quality images were formed. It was done.
すなわち、本発明における生産性の高い製造方法により形成された電気機械変換膜は、面内均一性が高くセラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持している。このため、電気機械変換膜を用いて圧電素子を構成し、液体吐出ヘッドに適用すれば吐出安定性と耐久性に優れているため、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等のインクジェット記録装置に応用できるほか、三次元造型技術などへの応用も可能である。 That is, the electromechanical conversion film formed by the highly productive manufacturing method of the present invention has high in-plane uniformity and maintains the same characteristics (piezoelectric constant) as the ceramic sintered body. For this reason, if a piezoelectric element is formed using an electromechanical conversion film and applied to a liquid discharge head, it has excellent discharge stability and durability. Therefore, it is suitable for inkjet printers such as printers and MFPs used in offices and personal computers. Besides being applicable, it can be applied to 3D molding technology.
(図2、3の符号)
10 ノズル板
11 ノズル
20 圧力室基板〔Si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
43 電気機械変換膜
44 上部電極
(図4、5の符号)
81 装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 液体吐出ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112 拍車
113 排紙ローラ
114 拍車
115,116 ガイド部材
117 回復装置
(Reference numerals in FIGS. 2 and 3)
10 Nozzle plate 11 Nozzle 20 Pressure chamber substrate [Si substrate]
21 Pressure chamber 30 Diaphragm 40 Electromechanical conversion element 41 Adhesion layer 42 Lower electrode 43 Electromechanical conversion film 44 Upper electrode (reference numerals in FIGS. 4 and 5)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 81 Device main body 82 Printing mechanism part 83 Paper 84 Paper feed cassette 85 Manual feed tray 86 Paper discharge tray 91 Main guide rod 92 Subordinate guide rod 93 Carriage 94 Liquid discharge head 95 Ink cartridge 97 Main scanning motor 98 Drive pulley 99 Drive pulley 100 Timing belt DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Feed roller 102 Friction pad 103 Guide member 104 Conveyance roller 105 Conveyance roller 106 Front end roller 107 Sub scanning motor 109 Printing receiving member 111 Conveyance roller 112 Spur 113 Discharge roller 114 Spur 115,116 Guide member 117 Recovery device
Claims (8)
(1)電気機械変換膜形成用の複合酸化物前駆体を含有するゾルゲル液を電極上に塗布する塗布工程と、
(2)塗布したゾルゲル液の溶媒成分を除去・乾燥して成膜する膜形成工程と、
(3)形成された膜を伝導加熱または対流加熱により焼成し、前記複合酸化物前駆体に結合している有機成分を取り除いて非晶質の複合酸化物膜を形成する第1の仮焼成工程と、
(4)上記工程(1)乃至(3)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の非晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
(5)得られた非晶質の複合酸化物積層膜全体を輻射加熱により焼成し、積層膜全体を均一に熱分解する第2の仮焼成工程と、
(6)上記工程(5)で得られた非晶質の複合酸化物積層膜を焼成し、結晶質の複合酸化物膜とする本焼成工程と、
(7)上記工程(1)乃至(6)を少なくとも1回以上繰返し、所望とする膜厚の結晶質の複合酸化物積層膜を形成する積層膜形成工程と、
を有することを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 A manufacturing method for forming an electromechanical conversion film,
(1) a coating step of coating a sol-gel solution containing a composite oxide precursor for forming an electromechanical conversion film on an electrode;
(2) a film formation step of removing and drying the solvent component of the applied sol-gel solution to form a film;
(3) First calcination step of firing the formed film by conduction heating or convection heating to remove an organic component bonded to the complex oxide precursor to form an amorphous complex oxide film When,
(4) Steps (1) to (3) are repeated at least once to form an amorphous composite oxide layered film having a desired film thickness,
(5) a second temporary firing step in which the entire amorphous composite oxide multilayer film is fired by radiation heating, and the entire multilayer film is thermally decomposed uniformly;
(6) a main firing step of firing the amorphous composite oxide laminated film obtained in the step (5) to form a crystalline composite oxide film;
(7) The above steps (1) to (6) are repeated at least once, and a laminated film forming step of forming a crystalline composite oxide laminated film having a desired film thickness;
A method for producing an electromechanical conversion film comprising:
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