JP2015010883A - Method for inspecting surface energy of wettability pattern - Google Patents

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惇 竹内
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光 下福
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for inspecting surface energy of a wettability pattern, which is capable of improving accuracy of inkjet coating in a method of forming a functional film pattern by inkjet coating.SOLUTION: A method for inspecting surface energy of a wettability pattern includes the steps of: forming, on a substrate, a wettability pattern comprising a high surface energy area A and a low surface energy area B; ejecting liquid drops to at least one or more positions including a position being across the boundary between the areas A and B, by an inkjet device; observing states of the liquid drops landing on the at least one or more positions including the position being across the boundary between the areas A and B, by image inspection means and obtaining a measurement tolerance by measuring an allowable landing shift for complete movement from the area B to the area A, of the liquid drops landing on the at least one or more positions including the position being across the boundary between the areas A and B; and determining whether the measurement tolerance is equal to or higher than a set tolerance preliminarily set or not.

Description

本発明は、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程とを備えた製造プロセス中に導入される濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法に関する。   The present invention includes a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and an inkjet coating step for forming a pattern following the wettability pattern by discharging droplets onto the wettability pattern. The present invention relates to a surface energy inspection method for wettability patterns introduced during a manufacturing process.

親液性領域(高表面エネルギー領域)と撥液性領域(低表面エネルギー領域)とからなる濡れ性の異なるパターンを利用して濡れ性パターン上に微細な機能性膜パターンを形成する方法が注目され、研究が進められている。
例えば、濡れ性の異なるパターンの親液性領域に、インクジエット法によりインクを噴射して画素部を形成し、カラーフィルターを得る手法が知られている。しかし、無色透明の濡れ性の異なるパターンの検査が難しいことから、特許文献1では親液性領域と撥液性領域とからなる濡れ性の異なるパターンに、検査液を液膜で付着させ、付着させた検査液を検査手段で調べる方法が提案されている。具体的には、表面エネルギーの異なるパターンの欠陥を検出する目的で、表面エネルギーが低い領域、つまり新液性領域に、ディップコーティングやスピンコーティングで検査液(例えば、水)を付着させ、付着した検査液をCCD素子で観察して検査する方法が記載されている。
一方、圧電アクチュエータとして用いられる強誘電体膜の形成法の一つとして、CSD法(Chemica Solution Deposition:化学溶液堆積法、またはゾル−ゲル法などとも呼ばれる)によって強誘電体前駆体膜が形成された後、加熱焼成処理をすることで結晶化させることを所定回数繰り返して成膜する方法が知られている。また、強誘電体前駆体のゾルをインクジェット方式の塗布機構を用いて塗布し、このゾル(インク)に加熱処理を施して該ゾルを結晶化させ、強誘電体薄膜を成膜することでパターニングされた強誘電体膜を成膜する方法も提案されている。予め塗布対象の基板を、表面エネルギーがパターニングされた状態にしておくことで、所望の領域のみインクが広がる上、インク着弾位置がずれても補正ができ、塗布精度を高めることができる。例えば、特許文献2では高表面エネルギー領域の予め設定した滴下位置にインクジェット法を用いて選択的に機能液を供給して所定パターンの機能性膜を形成する方法が提案されている。
特許文献1および特許文献2に提案されている方法によれば、非印刷面に低表面エネルギー領域と高表面エネルギー領域とからなる表面エネルギーの異なる領域を形成し、高表面エネルギー領域に選択的に機能液を供給するため、機能性膜パターンの微細化が可能である。しかしながら、高表面エネルギー領域にショートすること無く機能性膜パターンを形成したり、機能性膜パターンの膜厚を精密に制御したりするためには、被印刷面に対して機能液を正確に供給する必要があった。
Attention is focused on the method of forming a fine functional film pattern on a wettability pattern using a pattern with different wettability consisting of a lyophilic region (high surface energy region) and a liquid repellent region (low surface energy region). And research is ongoing.
For example, a technique is known in which a color filter is obtained by forming a pixel portion by ejecting ink to a lyophilic region having a pattern with different wettability by an ink jet method. However, since it is difficult to inspect a colorless and transparent pattern having different wettability, in Patent Document 1, the test liquid is adhered to a pattern having different wettability composed of a lyophilic region and a liquid repellent region by a liquid film. There has been proposed a method of examining the test liquid that has been discharged with an inspection means. Specifically, for the purpose of detecting defects in patterns with different surface energies, a test solution (for example, water) was attached to a region with low surface energy, that is, a new liquid region by dip coating or spin coating. A method for inspecting and inspecting an inspection liquid with a CCD element is described.
On the other hand, as one method of forming a ferroelectric film used as a piezoelectric actuator, a ferroelectric precursor film is formed by a CSD method (also called a chemical solution deposition method or a sol-gel method). Then, a method of forming a film by repeating crystallization by heating and baking treatment a predetermined number of times is known. In addition, a ferroelectric precursor sol is applied using an ink jet coating mechanism, the sol (ink) is subjected to a heat treatment to crystallize the sol, and a ferroelectric thin film is formed to form a pattern. There has also been proposed a method of forming the ferroelectric film. By setting the surface of the substrate to be coated in a state where the surface energy is patterned in advance, the ink spreads only in a desired region, and even if the ink landing position is shifted, correction can be performed and coating accuracy can be improved. For example, Patent Document 2 proposes a method of forming a functional film having a predetermined pattern by selectively supplying a functional liquid to a predetermined dropping position in a high surface energy region using an ink jet method.
According to the methods proposed in Patent Document 1 and Patent Document 2, regions having different surface energies composed of a low surface energy region and a high surface energy region are formed on a non-printing surface, and selectively formed in the high surface energy region. Since the functional liquid is supplied, the functional film pattern can be miniaturized. However, in order to form a functional film pattern without short-circuiting to a high surface energy region or to precisely control the film thickness of the functional film pattern, the functional liquid is accurately supplied to the printing surface. There was a need to do.

前記従来技術で記載したように、塗布対象の基板を予め親液性領域(高表面エネルギー領域)と撥液性領域(低表面エネルギー領域)とからなる濡れ性の異なるパターンとしておくことで、塗布精度を高めることができる。表面エネルギーのパターニングでは、高表面エネルギー領域と低表面エネルギー領域の表面エネルギー差(表面エネルギーコントラスト)が大きいほうが望ましい。表面エネルギーは基板の最表面の状態に影響されるため、有機物の付着やレジスト残渣で基板の表面エネルギーが変化することがある。表面エネルギーコントラストが小さいまま機能液の塗布を行うと着弾位置ずれを補正できず、塗布精度の悪化を招く。それを防ぐためにインクジェット塗布前に事前に基板の濡れ性パターンの表面エネルギーを検査する必要がある。
しかし、従来の基板の表面エネルギーコントラストの検査方法では、高エネルギー表面と低エネルギー表面それぞれの接触角を測定する必要があり操作が煩雑であるという問題があった。また、インクジェット法を用いて濡れ性パターン(高エネルギー表面)上に選択的に機能液を液滴として供給し所定パターンの機能性膜を形成する際に、従来の検査法では液滴の着弾位置ずれの許容量が分からず、インクジェットの精度を高くし、安定した条件を設定、維持することが難しい。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程とを備えた製造プロセス中に導入され、濡れ性パターンの表面エネルギーを簡便に検査して、インクジェット塗布工程で濡れ性パターンに倣ったパターンを形成する際の液滴の着弾位置ずれの許容量を得、インクジェット塗布の精度を高めることができる濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を提供することを目的とする。
As described in the above-mentioned prior art, the substrate to be coated is previously formed as a pattern having different wettability composed of a lyophilic region (high surface energy region) and a liquid repellent region (low surface energy region). Accuracy can be increased. In surface energy patterning, it is desirable that the surface energy difference (surface energy contrast) between the high surface energy region and the low surface energy region is large. Since the surface energy is affected by the state of the outermost surface of the substrate, the surface energy of the substrate may change due to adhesion of organic substances or resist residues. If the functional liquid is applied while the surface energy contrast is small, the landing position deviation cannot be corrected and the application accuracy is deteriorated. In order to prevent this, it is necessary to inspect the surface energy of the wettability pattern of the substrate in advance before the inkjet application.
However, the conventional method for inspecting the surface energy contrast of a substrate has a problem in that it is necessary to measure the contact angles of a high energy surface and a low energy surface, and the operation is complicated. In addition, when the functional liquid is selectively supplied as droplets on the wettability pattern (high energy surface) using the ink jet method to form a functional film of a predetermined pattern, the landing position of the droplets in the conventional inspection method It is difficult to determine the allowable amount of deviation, to increase the accuracy of the inkjet, and to set and maintain stable conditions.
The present invention has been made in view of the above-described prior art, and includes a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate and a wettability pattern by discharging droplets onto the wettability pattern. A liquid used in forming a pattern that follows the wettability pattern in the inkjet coating process by simply inspecting the surface energy of the wettability pattern. It is an object of the present invention to provide a method for inspecting the surface energy of a wettability pattern that can obtain an allowable amount of droplet landing position deviation and can improve the accuracy of inkjet coating.

本発明者らは鋭意検討した結果、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bとから構成された濡れ性パターンの領域Aと領域Bに跨る箇所を含む位置にインクジェット装置により液滴を吐出し、着弾した液滴の表面エネルギーコントラストによる挙動を画像検査手段により観察する簡便な検査手法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、本発明は、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程と、を備えた製造プロセス中に導入される濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法であって、
表面改質工程により非浸透性基板上に高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bとから構成された濡れ性パターンを形成する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に、インクジェット装置により液滴を吐出する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察して下記測定許容値を得る過程と、
前記測定許容値が予め設定した設定許容値以上であるか否かを判別する過程と
を含むことを特徴とする濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法である。
〔測定許容値〕:領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストによって領域A・領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴が領域Bから領域Aに完全に移動する許容の着弾ずれを測定し、その許容の着弾位置の液滴中心から領域A・領域Bの境界線までの最短距離を基に設定された許容値。
As a result of intensive studies, the present inventors have ejected droplets by an ink jet apparatus at a position including a portion straddling the regions A and B of the wettability pattern composed of the high surface energy region A and the low surface energy region B. The present inventors have found that the above problems can be solved by a simple inspection method for observing the behavior due to the surface energy contrast of the landed droplets with an image inspection means.
That is, the present invention includes a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and an ink jet coating step for forming a pattern following the wettability pattern by discharging droplets on the wettability pattern. A surface energy inspection method for a wettability pattern introduced during a manufacturing process comprising:
Forming a wettability pattern composed of a high surface energy region A and a low surface energy region B on a non-permeable substrate by a surface modification step;
A step of ejecting droplets by an ink jet device at at least one position including a portion straddling the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B;
A process of observing the form of a droplet landed on at least one position including a portion straddling a boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B by an image inspection means to obtain the following measurement allowable value;
And a process for determining whether or not the measurement allowable value is greater than or equal to a preset allowable value.
[Measurement tolerance]: A droplet landed on at least one position including a portion straddling the boundary line between the region A and the region B by the surface energy contrast between the region A and the region B is completely moved from the region B to the region A. An allowable value set based on the shortest distance from the center of the droplet at the allowable landing position to the boundary line between the area A and the area B.

本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法は、簡便に濡れ性パターンの表面エネルギーが検査でき、得られた着弾位置ずれの許容量を基にインクジェット塗布工程の精度を高めることができる。   The surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention can easily inspect the surface energy of the wettability pattern and can improve the accuracy of the ink jet coating process based on the obtained landing position deviation tolerance.

高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む位置にインクジェット装置により吐出する液滴の狙いの着弾位置を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a target landing position of a droplet discharged by an ink jet apparatus at a position including a portion straddling a boundary line between a high surface energy region A and a low surface energy region B. 高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラストによって移動した液滴の実際の着弾位置を示す模式図である。It is a schematic diagram showing the actual landing position of a droplet moved by the surface energy contrast of the high surface energy region A and the low surface energy region B. 電気−機械変換素子を作製する製造プロセスに本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入した場合の検査フローチャート例を示す図である。It is a figure which shows the example of an inspection flowchart at the time of introducing the surface energy inspection method of the wettability pattern of this invention into the manufacturing process which produces an electromechanical conversion element. (Ia)〜(Id)を含む工程により領域Aと領域Bに区分けされた濡れ性パターン上にインクジェット装置で液滴吐出してPZT塗膜を繰り返し形成する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that a droplet is discharged with an inkjet apparatus on the wettability pattern divided into the area | region A and the area | region B by the process including (Ia)-(Id), and a PZT coating film is formed repeatedly. (IIa)〜(IIc)を含む工程により領域Aと領域Bに区分けされた濡れ性パターン上にインクジェット装置で液滴吐出してPZT塗膜を形成する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that a droplet is discharged with an inkjet apparatus on the wettability pattern divided into the area | region A and the area | region B by the process including (IIa)-(IIc), and a PZT coating film is formed. 実際に使用する濡れ性パターンと併設して検査用の濡れ性パターンを設けた非浸透性基板を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the non-permeable board | substrate which provided the wettability pattern for a test | inspection with the wettability pattern actually used. インクジェット装置の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of an inkjet apparatus. 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概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the droplet discharge head provided with the electromechanical conversion element. 図8に示した電気−機械変換素子を複数個配置して構成した液滴吐出ヘッドの構成例を示す別の概略断面図である。FIG. 9 is another schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a droplet discharge head configured by arranging a plurality of electro-mechanical conversion elements illustrated in FIG. 8. 本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の一例を示す斜視説明図である。1 is a perspective view illustrating an example of an ink jet recording apparatus including a droplet discharge head according to the present invention. 図10に示すインクジェット記録装置の機構部の側面説明図である。It is side surface explanatory drawing of the mechanism part of the inkjet recording device shown in FIG.

前述のように、本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法は、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程と、を備えた製造プロセス中に導入される濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法であって、
表面改質工程により非浸透性基板上に高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bとから構成された濡れ性パターンを形成する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に、インクジェット装置により液滴を吐出する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察して下記測定許容値を得る過程と、
前記測定許容値が予め設定した設定許容値以上であるか否かを判別する過程と
を含むことを特徴とするものである。
〔測定許容値〕:領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストによって領域A・領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴が領域Bから領域Aに完全に移動する許容の着弾ずれを測定し、その許容の着弾位置の液滴中心から領域A・領域Bの境界線までの最短距離を基に設定された許容値。
As described above, the surface energy inspection method of the wettability pattern according to the present invention includes a surface modification step of forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and wettability by discharging droplets onto the wettability pattern. A method of inspecting the surface energy of a wettability pattern introduced during a manufacturing process comprising: an inkjet coating process for forming a pattern following the pattern;
Forming a wettability pattern composed of a high surface energy region A and a low surface energy region B on a non-permeable substrate by a surface modification step;
A step of ejecting droplets by an ink jet device at at least one position including a portion straddling the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B;
A process of observing the form of a droplet landed on at least one position including a portion straddling a boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B by an image inspection means to obtain the following measurement allowable value;
And determining whether or not the measurement allowable value is equal to or greater than a preset allowable value.
[Measurement tolerance]: A droplet landed on at least one position including a portion straddling the boundary line between the region A and the region B by the surface energy contrast between the region A and the region B is completely moved from the region B to the region A. An allowable value set based on the shortest distance from the center of the droplet at the allowable landing position to the boundary line between the area A and the area B.

本発明の検査方法は、表面エネルギーが高表面エネルギー領域A(以降、「領域A」と略称することがある)と低表面エネルギー領域B(以降、「領域B」と略称することがある)とにパターニングされた、所謂、濡れ性パターンの表面エネルギー検査に際して、前記領域Aと領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも1つ以上の位置に、インクジェット装置により液滴を吐出し、該液滴の狙いの着弾位置と、実際の液滴の位置(領域Bに跨って着弾した液滴が、領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストによって領域Aに移動する)を比較して測定許容値を得て、予め設定された設定許容値以上であるか否かを判別することが特徴になっている。   According to the inspection method of the present invention, the surface energy is a high surface energy region A (hereinafter sometimes referred to as “region A”) and a low surface energy region B (hereinafter sometimes referred to as “region B”). In the surface energy inspection of the so-called wettability pattern patterned on the surface, a droplet is ejected by an inkjet device to at least one or more positions including a portion straddling the boundary line between the region A and the region B. The target landing position is compared with the actual droplet position (the droplet that has landed across the region B moves to the region A due to the surface energy contrast between the region A and the region B) to obtain a measurement allowable value. Thus, it is characterized in determining whether or not it is greater than a preset allowable value.

濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法(以下、「濡れ性パターン検査方法」と略称することがある)について、図面を用いて詳細に解説する。
図1は、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む位置にインクジェット装置により吐出する液滴の狙いの着弾位置を示す模式図である。
図2は、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラスト(高、低)によって移動した液滴の実際の着弾位置を示す模式図である。
A wettability pattern surface energy inspection method (hereinafter sometimes abbreviated as “wetability pattern inspection method”) will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a target landing position of a droplet ejected by an ink jet apparatus at a position including a portion straddling a boundary line between a high surface energy region A and a low surface energy region B.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the actual landing position of a droplet moved by the surface energy contrast (high, low) of the high surface energy region A and the low surface energy region B.

図1に示すように、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bが境界線(直線)(L1)で区切られた濡れ性パターンが形成された非浸透性基板(以下、「基板」と略称することがある)を準備する。この基板に対してインクジェット装置から液滴を吐出し、境界線(L1)と交差させて直線状に吐出し液滴列(L2)として着弾させる。図1のように、前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線は直線状であることが好ましい。
図1(A)の丸印は液滴の狙いの着弾位置を示すが、例えば、液滴b〜dのように高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る液滴はトータルの表面/界面エネルギーを下げるように高表面エネルギー領域Aに引き込まれやすく狙いの着弾位置から移動する挙動を示す。
As shown in FIG. 1, a non-permeable substrate (hereinafter abbreviated as “substrate”) on which a wettability pattern in which a high surface energy region A and a low surface energy region B are separated by a boundary line (straight line) (L1) is formed. Be prepared). Liquid droplets are ejected from the ink jet apparatus onto this substrate, ejected in a straight line intersecting the boundary line (L1), and landed as a liquid droplet array (L2). As shown in FIG. 1, the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B is preferably linear.
The circles in FIG. 1A indicate the target landing positions of the droplets. For example, the droplets straddling the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B like the droplets b to d are total. It shows the behavior of moving from the target landing position that is likely to be drawn into the high surface energy region A so as to lower the surface / interface energy.

一般に高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラストが十分にあれば、液滴の一部でも高表面エネルギー領域Aに掛かれば、領域Aと領域Bの境界線に跨って領域Bに着弾した液滴は狙いの着弾位置から移動して高表面エネルギー領域Aに引き込まれる。しかし表面エネルギーコントラストが小さいと、液滴を領域Bから領域Aに移動させる駆動力が小さく、移動に時間がかかる。乾燥が早い液体では移動が完了する前に液滴の一部が基板に固着しはじめて、最終的に領域Bにも液滴が残る。つまり引き込まれやすさは表面エネルギーコントラストに依存するため、液滴の広がり方は図2(B、C)に示すように基板の表面エネルギーコントラストによって変わる。
つまり、図1(A)に示す液滴b〜dの引き込まれ方を測定することで基板の表面エネルギーを検査することができる。
図2(B)の領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストの場合、狙いの着弾位置が領域Aと領域Bに跨る液滴はすべて領域Aに移動し、裕度のある許容着弾ずれが得られ、これを基に測定された測定許容値は大きくなる。予め定められた設定許容値より大きな測定許容値を持つ濡れ性パターンにインクジェット装置から液滴を吐出すれば濡れ性パターンに倣った微細なパターンが精度よく形成される。すなわち、図2(B)の領域Aと領域Bの表面エネルギー状態であれば、表面エネルギーコントラストが十分であり、合格の濡れ性パターンが形成できると判断できる。
一方、図2(C)の領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストの場合には、狙いの着弾位置が領域Aと領域Bに跨った液滴は、領域Aへの移動は認められるが一部領域Bに残り、許容着弾ずれは極めて小さく許容着弾ずれに裕度がない。すなわち、図2(C)の領域Aと領域Bの表面エネルギー状態であれば、表面エネルギーコントラストが不十分であり、不合格の濡れ性パターンが形成されたと判断できる。
In general, if the surface energy contrast between the high surface energy region A and the low surface energy region B is sufficient, if even a part of the droplet enters the high surface energy region A, the region B straddles the boundary line between the region A and the region B. The droplets that have landed on the surface move from the target landing position and are drawn into the high surface energy region A. However, when the surface energy contrast is small, the driving force for moving the droplet from the region B to the region A is small, and the movement takes time. In the case of a liquid that dries quickly, some of the droplets start to adhere to the substrate before the movement is completed, and eventually the droplets also remain in the region B. That is, since the ease of being drawn depends on the surface energy contrast, the way the droplets spread varies depending on the surface energy contrast of the substrate as shown in FIGS.
That is, the surface energy of the substrate can be inspected by measuring how the droplets b to d shown in FIG.
In the case of the surface energy contrast between the region A and the region B in FIG. 2B, all the droplets whose target landing positions straddle the region A and the region B move to the region A, and a marginal allowable landing deviation is obtained. The measurement tolerance measured based on this increases. If droplets are ejected from the ink jet apparatus to a wettability pattern having a measurement tolerance greater than a predetermined set tolerance, a fine pattern following the wettability pattern can be formed with high accuracy. That is, if the surface energy states of the region A and the region B in FIG. 2B are sufficient, it can be determined that the surface energy contrast is sufficient and an acceptable wettability pattern can be formed.
On the other hand, in the case of the surface energy contrast between the region A and the region B in FIG. 2 (C), the droplets whose target landing positions straddle the region A and the region B are recognized to move to the region A, but partially. Remaining in the region B, the allowable landing deviation is extremely small and there is no tolerance for the allowable landing deviation. That is, if the surface energy states of the region A and the region B in FIG. 2C are used, it can be determined that the surface energy contrast is insufficient and an unacceptable wettability pattern is formed.

このように、測定許容値は測定された着弾位置ずれの許容量を基に設定される。すなわち、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラストによって領域A・領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置(特に、領域B側に偏った位置)に着弾した液滴が完全に領域Aに移動する許容の着弾ずれを測定し、その液滴中心から領域A・領域Bの境界線(L1)までの最短距離をもとに測定許容値を設定する。
例えば、図2(B)の表面エネルギーコントラストが高い場合、狙いとする着弾位置の液滴aの中心から領域A・領域Bの境界線(L1)までの最短距離はlaであり、狙いとする着弾位置が液滴bでは最短距離はlbである。このため測定許容値はlbとなる。図2(C)での測定許容値はlaとなる。
なお、設定許容値はインクジェットヘッドのノズル曲がりの仕様及び、塗布装置のアライメントずれを鑑みて決定される。
As described above, the measurement allowable value is set based on the measured allowable amount of landing position deviation. That is, landing at at least one position (particularly a position biased toward the area B) including a portion straddling the boundary line between the area A and the area B due to the surface energy contrast between the high surface energy area A and the low surface energy area B. The permissible landing deviation in which the liquid droplet completely moves to the region A is measured, and a measurement allowable value is set based on the shortest distance from the center of the droplet to the boundary line (L1) between the region A and the region B.
For example, when the surface energy contrast of FIG. 2B is high, the shortest distance from the center of the droplet a at the target landing position to the boundary line (L1) of the region A and the region B is la, which is the target. When the landing position is the droplet b, the shortest distance is lb. For this reason, the measurement tolerance is lb. The allowable measurement value in FIG. 2C is la.
The set allowable value is determined in consideration of the specifications of the nozzle bending of the inkjet head and the misalignment of the coating apparatus.

前述のように、複数液滴の実際の着弾位置からの移動から測定許容値を決定し、濡れ性パターンの表面エネルギー検査を簡便に行うことができる。その際、着弾位置からの移動を知るには狙いの着弾位置を知る必要がある。そのためには、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線(L1)に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置にインクジェット装置により吐出した液滴の狙いの着弾位置(図1参照:b〜d)は、完全に高表面エネルギー領域B内に着弾した(移動の恐れがない)液滴(図1参照:a)の位置および完全に高表面エネルギー領域A内に着弾した移動の恐れがない液滴(図1参照:e)の位置から推定することができる。   As described above, the measurement allowable value can be determined from the movement of the plurality of droplets from the actual landing position, and the surface energy inspection of the wettability pattern can be easily performed. At that time, in order to know the movement from the landing position, it is necessary to know the target landing position. For that purpose, the target landing position of the droplets ejected by the ink jet apparatus at at least one position including the portion straddling the boundary line (L1) between the high surface energy region A and the low surface energy region B (see FIG. 1). b to d) shows the position of a droplet (see FIG. 1: a) completely landed in the high surface energy region B (no fear of movement) and the risk of movement completely landed in the high surface energy region A. It can be estimated from the position of the liquid droplet (see FIG. 1: e) that does not exist.

前記狙いの着弾位置を知るには、インクジェット装置により液滴を高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線(L1)と交差させて直線状に吐出し液滴列(L2)として着弾させるのが好ましい。その際、液滴列(L2)の形成にはインクジェット装置により、インクジェットヘッドのノズルが同一のものを使用して、各液滴の着弾間隔を等間隔Dで並べるのがよい。
このように各液滴の着弾間隔をDとし、境界線(L1)と液滴列(L2)の交差角をθとすれば、下記式(1)で示されるように、各液滴から境界線(L1)までの距離の差がD×sinθずつ異なる液滴が並ぶことになる。これを利用して狙いの着弾位置を知ることができる。
各液滴の液滴中心から境界線(L1)までの距離の差=D×sinθ・・・(1)
測定許容値の測定の精度を上げるには着弾間隔Dおよび/またはθを小さくするように制御すればよい。
In order to know the target landing position, an ink jet device crosses the boundary line (L1) between the high surface energy region A and the low surface energy region B and discharges it linearly to land as a droplet row (L2). It is preferable to do so. At this time, it is preferable that the droplet arrays (L2) are formed by using an inkjet apparatus having the same nozzles of the inkjet head and arranging the landing intervals of the droplets at equal intervals D.
Thus, if the landing interval of each droplet is D and the crossing angle between the boundary line (L1) and the droplet row (L2) is θ, the boundary from each droplet is expressed as shown in the following formula (1). Droplets having different distances to the line (L1) by D × sin θ are arranged. This can be used to know the target landing position.
Difference in distance from the center of each droplet to the boundary line (L1) = D × sin θ (1)
In order to increase the accuracy of measurement of the measurement tolerance, the landing interval D and / or θ may be controlled to be small.

本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入する製造プロセスとしては、前記非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程とを備えていればよく、例えば、微細パターン形成が可能なインクジェット工法による印刷技術を用いて電気−機械変換膜(例えば、ジルコン酸チタン酸鉛:PZT))を形成して電気−機械変換素子を作製する製造プロセスに適用することができる。
電気−機械変換素子を作製する製造プロセスは限定されるものではないが、例えば、次のような工程を含むものが例示される。
(Ia)金属から成る第1の電極[例えば、白金(Pt)]を形成する工程
(Ib)第1の電極上に形成された導電性酸化物から成る第2の電極を形成する工程
(Ic)第1の電極表面のみを疎水性領域(低表面エネルギー領域B)とする処理[例えば、SAM膜(自己組織化単分子膜)]を施して、第2の電極(高表面エネルギー領域A)を濡れ性パターンとする表面改質工程
(Id)濡れ性パターンとされた第2の電極上にインクジェット装置により液滴を吐出して電気−機械変換膜を形成するインクジェット塗布工程、
(Ie)電気−機械変換膜上に上部電極(第3の電極)を形成する工程
なお、第1の電極と第2の電極とを積層して下部電極とする。また、導電性酸化物としては、例えば、一般式ABO(但し、Aは、Sr、Ba、Ca、Laから選択される元素を示し、Bは、Ru、Co、Ni、Mn、Al、Crから選択される元素を示す。)で表されるペロブスカイト構造を有する酸化物が挙げられる。
As a manufacturing process for introducing the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention, a surface modification step for forming the wettability pattern on the non-permeable substrate, and droplets are ejected onto the wettability pattern. For example, an electro-mechanical conversion film (for example, lead zirconate titanate) using a printing technique based on an inkjet method capable of forming a fine pattern. : PZT)) to form an electromechanical conversion element.
Although the manufacturing process which produces an electromechanical conversion element is not limited, For example, what includes the following processes is illustrated.
(Ia) A step of forming a first electrode made of metal [for example, platinum (Pt)] (Ib) A step of forming a second electrode made of a conductive oxide formed on the first electrode (Ic ) Applying a treatment [for example, SAM film (self-assembled monomolecular film)] to make only the surface of the first electrode a hydrophobic region (low surface energy region B), the second electrode (high surface energy region A) (Id) Inkjet coating process for forming an electro-mechanical conversion film by ejecting droplets by an inkjet device onto the second electrode having a wettability pattern,
(Ie) Step of forming the upper electrode (third electrode) on the electro-mechanical conversion film The first electrode and the second electrode are stacked to form the lower electrode. Examples of the conductive oxide include a general formula ABO 3 (where A represents an element selected from Sr, Ba, Ca, La, and B represents Ru, Co, Ni, Mn, Al, Cr). And an oxide having a perovskite structure represented by:

ここで、第1の電極および第2の電極が形成された基板は非浸透性基板に相当する。すなわち、前記非浸透性基板の表面は貴金属面と非貴金属面とで構成され、前記低表面エネルギー領域Bは該貴金属面に表面改質を施して形成され、前記高表面エネルギー領域Aは該非貴金属面により形成されている(後述する図4を参照)。   Here, the substrate on which the first electrode and the second electrode are formed corresponds to a non-permeable substrate. That is, the surface of the non-permeable substrate is composed of a noble metal surface and a non-noble metal surface, the low surface energy region B is formed by surface modification of the noble metal surface, and the high surface energy region A is the non-noble metal surface. It is formed by a surface (see FIG. 4 described later).

また、電気−機械変換素子を作製する製造プロセスの別の例としては、次のような工程を含むものが例示される。
(IIa)金属[例えば、白金(Pt)]の表面全体を処理[例えば、SAM膜(自己組織化単分子膜)]して疎水性領域(低表面エネルギー領域B)とする工程
(IIb)低表面エネルギー領域Bの一部に外部から刺激[例えば、レジストパターンを利用してドライエッチングを施す]を与えて部分的に変化させて濡れ性パターン(高表面エネルギー領域A)を形成する表面改質工程
(IIc)濡れ性パターン(下部電極)上にインクジェット装置により液滴を吐出して電気−機械変換膜を形成するインクジェット塗布工程、
(IId)電気−機械変換膜上に上部電極を形成する工程
Further, another example of the manufacturing process for producing the electromechanical conversion element includes one including the following steps.
(IIa) Process of treating the entire surface of a metal [for example, platinum (Pt)] [for example, SAM film (self-assembled monomolecular film)] to form a hydrophobic region (low surface energy region B) (IIb) Low Surface modification in which a part of the surface energy region B is stimulated from the outside [for example, dry etching is performed using a resist pattern] to be partially changed to form a wettability pattern (high surface energy region A) Step (IIc) Inkjet coating step of forming an electro-mechanical conversion film by discharging droplets on the wettability pattern (lower electrode) by an inkjet device,
(IId) Step of forming the upper electrode on the electromechanical conversion film

すなわち、前記非浸透性基板の表面が貴金属面で構成され、前記低表面エネルギー領域Bは該貴金属面に表面改質を施して形成され、前記高表面エネルギー領域Aは該低表面エネルギー領域Bの一部に外部から刺激を与えて部分的に変化させて形成されている(後述する図5を参照)。   That is, the surface of the non-permeable substrate is composed of a noble metal surface, the low surface energy region B is formed by subjecting the noble metal surface to surface modification, and the high surface energy region A is a region of the low surface energy region B. A part is formed by applying a stimulus from the outside to be partially changed (see FIG. 5 described later).

前記貴金属面の表面改質にはチオール化合物を用いてSAM膜を形成することが好ましい。
自己組織化単分子膜(SAM膜:Self Assembled Mon-layer膜)は、SAM形成用の材料を含有する溶液を貴金属表面に全面塗布して形成される。SAM形成用の材料は下地の材料によっても異なるが、金属を下地とする場合は主にチオール化合物(例えば、アルカンチオール)を選定するのが好ましい。
アルカンチオールを用いる場合、分子鎖長により反応性や疎水(撥水)性は異なるが通常C6からC18の炭素数を有する分子を一般的な有機溶媒(アルコール、アセトン、トルエンなど)に溶解(濃度数mmol/l)させてSAM形成用の溶液を調製する。この溶液を用いて、浸漬、蒸気、スピンコーター等のいずれかにより下地上に塗布処理を行い、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥することでSAMが形成できる。
(IIb)ではSAM膜上にフォトリソグラフィによりフォトレジストをパターン形成し、フォトレジストが形成されていない個所のSAM膜はドライエッチングにより除去して親水性領域(高表面エネルギー領域A)と疎水性領域(低表面エネルギー領域B)に区分けして濡れ性パターンが形成される。
For surface modification of the noble metal surface, it is preferable to form a SAM film using a thiol compound.
A self-assembled monomolecular film (SAM film: Self Assembled Mon-layer film) is formed by applying a solution containing a material for SAM formation on the entire surface of a noble metal. Although the material for forming the SAM varies depending on the material of the base, it is preferable to mainly select a thiol compound (for example, alkanethiol) when using a metal as the base.
When alkanethiol is used, the reactivity and hydrophobicity (water repellency) differ depending on the molecular chain length, but normally molecules having C6 to C18 carbon numbers are dissolved in common organic solvents (alcohol, acetone, toluene, etc.) (concentration) A solution for SAM formation is prepared by several mmol / l). Using this solution, a coating treatment is performed on the substrate by any of dipping, steam, spin coater, etc., and surplus molecules are replaced and washed with a solvent and dried to form a SAM.
In (IIb), a photoresist is patterned on the SAM film by photolithography, and the SAM film where the photoresist is not formed is removed by dry etching to obtain a hydrophilic region (high surface energy region A) and a hydrophobic region. A wettability pattern is formed by dividing into (low surface energy region B).

(Id)および(IIc)の電気−機械変換膜を形成する工程で用いられる電気−機械変換膜としては、限定されるものではないが、PZT膜が好ましく用いられる。PZTは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸(PbTiO)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)Oで表され、一般に、PZT(53/47)と示される。
前記電気−機械変換膜(例えば、PZT)は、電気−機械変換膜用の前駆体溶液(PZT前駆体溶液)を用いてインクジェット工法(インクジェット装置により前駆体溶液を液滴として吐出する)により形成される。PZT前駆体溶液は、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させて均一溶液を得ることで調製できる。
PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合には、バリウムアルコキシド化合物と、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
The electro-mechanical conversion film used in the step of forming the electro-mechanical conversion film of (Id) and (IIc) is not limited, but a PZT film is preferably used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics is expressed as Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 in a chemical formula where the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, Generally indicated as PZT (53/47).
The electro-mechanical conversion film (for example, PZT) is formed by an inkjet method (a precursor solution is discharged as droplets by an inkjet apparatus) using a precursor solution (PZT precursor solution) for an electro-mechanical conversion film. Is done. The PZT precursor solution can be prepared by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution.
Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, a barium titanate precursor solution is prepared by using a barium alkoxide compound and a titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in a common solvent. It is also possible.

前記電気−機械変換膜はインクジェット工法により電極上に形成される。その際、予め高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされた濡れ性パターン(電極)上に、インクジェット装置により前駆体溶液を液滴として吐出して着弾させ塗膜を形成した後、塗膜の熱処理(溶媒乾燥、熱分解、結晶化)を施すことで電気−機械変換膜が得られる。
この電気−機械変換膜を形成する際、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溶液濃度の調整が必要になる。このため、数μm程度の厚みの電気−機械変換膜を形成するにはインクジェット工法による100nm以下の膜形成を繰り返し、塗膜を何層も重ねて作製する必要がある。濡れ性パターン(電極)上に、インクジェット装置により前駆体溶液(前駆体ゾル)を液滴として吐出してPZT塗膜を繰り返し何層も重ねて作製するプロセスについては後述する図4に示す。
The electro-mechanical conversion film is formed on the electrode by an inkjet method. At that time, on the wettability pattern (electrode) previously divided into a high surface energy region A and a low surface energy region B, after forming a coating film by ejecting and landing the precursor solution as droplets by an inkjet device, An electro-mechanical conversion film can be obtained by subjecting the coating film to heat treatment (solvent drying, thermal decomposition, crystallization).
When this electro-mechanical conversion film is formed, the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, so that a film having a thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film. It is necessary to adjust the concentration of the precursor solution. For this reason, in order to form an electromechanical conversion film having a thickness of about several μm, it is necessary to repeatedly form a film having a thickness of 100 nm or less by an ink jet method and to produce a plurality of coating films. A process of repeatedly producing a PZT coating layer by repeatedly ejecting a precursor solution (precursor sol) as droplets by an ink jet apparatus on a wettability pattern (electrode) is shown in FIG. 4 described later.

濡れ性パターンの形成方法は、基板の最表面の表面エネルギーをパターニングできる方法であれば特に限定されない。複数の層からなる基板をエッチングによりパターニングして下層の一部表面を露出させてもよいし、最表面が単一の濡れ性変化材料からなる基板にパターン状に表面処理を施してもよい。ここで述べる濡れ性変化材料は熱エネルギーや光エネルギーなど物理的乃至化学的刺激によって、表面エネルギーが変化する材料が好ましく用いられる。   The wettability pattern forming method is not particularly limited as long as it is a method capable of patterning the surface energy of the outermost surface of the substrate. A substrate composed of a plurality of layers may be patterned by etching to expose a part of the surface of the lower layer, or a surface treatment may be performed in a pattern on a substrate composed of a single wettability changing material. As the wettability changing material described here, a material whose surface energy is changed by physical or chemical stimulation such as thermal energy or light energy is preferably used.

本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法は、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程との間に導入されるのが好ましい。
すなわち、前記電気−機械変換素子を作製する製造プロセスは、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程とが複数回繰り返されることから、複数回の表面改質工程後毎に検査が実施されることが好ましいが、一回目乃至n回目の検査によって、以降の繰り返しのインクジェット塗布工程で許容の着弾位置ずれの範囲に液滴吐出を確実に再現できると判断できれば、一回目乃至n回目より後の検査を省くことができる。例えば、一回目の検査によって、許容の着弾位置ずれの範囲に液滴吐出を確実に再現できると判断できれば、二回目以降の検査を省くことができる。
The wettability pattern surface energy inspection method of the present invention includes a surface modification step of forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and a pattern imitating the wettability pattern by discharging droplets onto the wettability pattern. It is preferably introduced during the inkjet coating process for forming the film.
That is, the manufacturing process for producing the electromechanical conversion element includes a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and a droplet is ejected onto the wettability pattern to follow the wettability pattern. Since the inkjet coating process for forming the pattern is repeated a plurality of times, the inspection is preferably carried out after each of the plurality of surface modification processes. If it can be determined that the droplet ejection can be reliably reproduced in the range of the allowable landing position deviation in the ink jet coating process, it is possible to omit the inspection after the first to n-th time. For example, if it can be determined by the first inspection that the droplet discharge can be reliably reproduced in the range of the allowable landing position deviation, the second and subsequent inspections can be omitted.

図3に電気−機械変換素子を作製する製造プロセスに本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法(図中、「濡れ性検査」と表示)を導入した場合の検査フローチャート例を示す。
前述のように、濡れ性検査方法は、電気−機械変換素子を作製する製造プロセスの非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程[高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされた濡れ性パターン(電極)を形成]と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程(PZT膜の形成)の間で実施される。
本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入し、表面改質工程後に、インクジェット装置により液滴を吐出し着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察して得た測定許容値が設定許容値以上であるか否かを判別しながら、インクジェット塗布工程(図中、「塗布工程」と表示)、加熱工程を所定回数繰り返して目的とする膜厚の電気−機械変換膜(PZT膜)を形成する。ここで、所定回数とは、前述のようにクラックフリーなPZT膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚とする必要があり、PZT膜の膜厚を数μmとするには20回以上(例えば、24回程度)繰り返す必要がある。
FIG. 3 shows an example of an inspection flowchart in the case where the surface energy inspection method for wettability patterns of the present invention (shown as “wetability inspection” in the figure) is introduced into the manufacturing process for producing the electromechanical conversion element.
As described above, the wettability inspection method includes a surface modification step [a high surface energy region A and a low surface energy region B that forms a wettability pattern on a non-permeable substrate in a manufacturing process for producing an electromechanical conversion element. Between the ink-jet coating process (formation of the PZT film) in which droplets are ejected onto the wettability pattern to form a pattern imitating the wettability pattern. Is done.
Introduced the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention, and after the surface modification step, the measurement allowable value obtained by observing the form of the droplet ejected and landed by the ink jet device by the image inspection means is set An electro-mechanical conversion film (PZT film) having a desired film thickness is determined by repeating the ink-jet coating process (shown as “coating process” in the figure) and the heating process a predetermined number of times while determining whether or not the value is greater than the allowable value. Form. Here, the predetermined number of times, as described above, requires a film thickness of 100 nm or less in one step in order to obtain a crack-free PZT film, and 20 times in order to make the thickness of the PZT film several μm. It is necessary to repeat the above (for example, about 24 times).

図4の模式図に高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされた濡れ性パターン(電極)上に、インクジェット装置により前駆体溶液(前駆体ゾル)を液滴として吐出してPZT塗膜を繰り返し何層も重ねて作製する様子を示す。
図4Aは表面改質工程前の非浸透性基板上(略称「基板」)の状態を示す。基板はシリコンウェハ上に下部電極となる白金とその上の一部分に導電性酸化物が成膜されている。
すなわち、前記電気−機械変換素子を作製する製造プロセスで例示した(Ia)により形成された金属から成る第1の電極[例えば、白金(Pt)]と、(Ib)により形成された導電性酸化物から成る第2の電極に相当する。
白金および酸化物電極(例えば、SrRuO)はスパッタで成膜されるが、フォトリソ、エッチングの工程によりパターニングされている。
In the schematic diagram of FIG. 4, a precursor solution (precursor sol) is ejected as droplets by an inkjet device onto a wettability pattern (electrode) divided into a high surface energy region A and a low surface energy region B, and PZT coating is performed. A state in which a plurality of layers are repeatedly stacked is shown.
FIG. 4A shows a state on a non-permeable substrate (abbreviated as “substrate”) before the surface modification step. The substrate has a platinum film on a silicon wafer and a conductive oxide film formed on a part of the platinum film.
That is, the first electrode [for example, platinum (Pt)] made of the metal formed by (Ia) exemplified in the manufacturing process for producing the electro-mechanical conversion element, and the conductive oxidation formed by (Ib) This corresponds to a second electrode made of a material.
Platinum and oxide electrodes (for example, SrRuO 3 ) are formed by sputtering, but are patterned by photolithography and etching processes.

表面改質工程において部分的にSAM膜を形成する方法を示す。例えば、チオール化合物(アルカンチオール)が酸化物表面には付着せず白金族金属に自己配列する現象を利用する。白金族金属上に形成されたSAM膜は表面側にアルキル基が配置しているので低表面エネルギーになる。
そこで本例では図4Aのような白金の上に酸化物が部分的に成膜された下部電極を持つシリコンウェハをアルカンチオール液、例えば、CH(CH−SH(炭素数としては、6〜18が好ましい)を有機溶媒(アルコール、アセトン、トルエンなど)に溶解した溶液に浸漬(ディップ)する。
アルカンチオールは白金族金属のみにSAM膜を形成する性質を持つ、SAM膜が白金上のみに形成された状態となる。これによって高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされた(濡れ性のコントラストを有する)濡れ性パターンが形成される(図4B)。このようにSAM膜で表面改質した白金に対する水の接触角は100°以上であった。
インクジェット塗布工程により濡れ性パターン上にPZT前駆体溶液からなる液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成し(図4C)、加熱処理してPZT膜を形成する(図4D)。
SAM膜は加熱工程で消失するため、2回目以降の塗布前にもSAM処理を施す必要がある。2回目以降も酸化物電極の上のみにPZT膜が成膜された状態の基板にSAM処理を施すことになるが、酸化物であるPZT膜上にはSAM膜が形成されず、白金上のみにSAM膜が形成されるため、1回目の処理と同様の濡れ性のコントラストが形成される。
A method for partially forming a SAM film in the surface modification step will be described. For example, a phenomenon is used in which a thiol compound (alkanethiol) does not adhere to the oxide surface and self-aligns with a platinum group metal. The SAM film formed on the platinum group metal has low surface energy because the alkyl group is arranged on the surface side.
Therefore, in this example, a silicon wafer having a lower electrode in which an oxide is partially formed on platinum as shown in FIG. 4A is used as an alkanethiol solution, for example, CH 3 (CH 2 ) n —SH , 6-18 are preferred) are immersed (dip) in a solution in an organic solvent (alcohol, acetone, toluene, etc.).
Alkanethiol has a property of forming a SAM film only on a platinum group metal, and the SAM film is formed only on platinum. As a result, a wettability pattern (having a wettability contrast) divided into a high surface energy region A and a low surface energy region B is formed (FIG. 4B). Thus, the contact angle of water with platinum surface-modified with the SAM film was 100 ° or more.
A droplet made of a PZT precursor solution is ejected onto the wettability pattern by an inkjet coating process to form a pattern that follows the wettability pattern (FIG. 4C), and heat treatment is performed to form a PZT film (FIG. 4D).
Since the SAM film disappears in the heating process, it is necessary to perform SAM treatment before the second and subsequent coatings. In the second and subsequent times, the SAM treatment is performed on the substrate on which the PZT film is formed only on the oxide electrode. However, the SAM film is not formed on the PZT film that is an oxide, but only on the platinum. Since the SAM film is formed, the same wettability contrast as in the first treatment is formed.

図3に示すように表面改質工程後に、本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入し、インクジェット装置により液滴を吐出し着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察して得た測定許容値が設定許容値以上であるか否かを判別しながら、インクジェット塗布工程繰り返して目的とする膜厚の電気−機械変換膜(PZT膜)を形成する。   As shown in FIG. 3, after the surface modification step, the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention is introduced, and the form of the liquid droplet ejected and landed by the ink jet apparatus is observed by the image inspection means. The electro-mechanical conversion film (PZT film) having a desired film thickness is formed by repeating the ink jet coating process while determining whether the allowable measurement value is equal to or greater than the set allowable value.

また、図5に、電気−機械変換素子を作製する製造プロセスの別の例で示した(IIa)〜(IIc)を含む工程により、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされた濡れ性パターン(電極)上に、インクジェット装置により前駆体溶液(前駆体ゾル)を液滴として吐出してPZT塗膜を作製する場合の模式図を示す。
図5では、非浸透性基板の表面が貴金属面で構成され、低表面エネルギー領域Bは該貴金属面に表面改質を施して形成され、前記高表面エネルギー領域Aは該低表面エネルギー領域Bの一部に外部から刺激を与えて部分的に変化させて形成されている。
図5は、図4における高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの工程が異なるのみで他の工程は同じである。基板はシリコンウェハ上に電極(下部電極)となる白金(Pt)が成膜されている。
まず、基板表面にSAM形成用の材料を含有する溶液を全面塗布してSAM膜を形成する。成膜方法としては、例えば、基板をアルカンチオール液に浸漬(ディップ)してPt表面全体にSAM膜を形成する(図5b-1)。
次に、SAM膜上にフォトリソグラフィによりフォトレジストをパターン形成する。
図5b-2は、濡れ性パターンとする領域のSAM膜を除去し、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bとに区分けするために必要部分なSAM膜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をパターニングした状態を示している。
図5b-3は、フォトレジストをパターニングした基板表面に、例えば、酸素プラズマを基板表面に照射することによりドライエッチングしてフォトレジストが形成されていない個所のSAM膜を除去する。このような表面改質処理によって、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bに区分けされ濡れ性パターンが形成される。
図5cは、図4で説明したのと同様にして、濡れ性パターン(電極)上にインクジェット装置により前駆体溶液(前駆体ゾル)を液滴として吐出してPZT塗膜を形成するインクジェット塗布工程を示す。
図5では、SAM膜を酸素プラズマで除去して表面改質処理を行う例を説明したが、紫外線(UV光)の照射により表面改質処理を行ってもよい。
Further, in FIG. 5, the high surface energy region A and the low surface energy region B were divided by the steps including (IIa) to (IIc) shown in another example of the manufacturing process for producing the electro-mechanical conversion element. The schematic diagram in the case of producing a PZT coating film by discharging a precursor solution (precursor sol) as droplets by an ink jet apparatus on a wettability pattern (electrode) is shown.
In FIG. 5, the surface of the non-permeable substrate is composed of a noble metal surface, the low surface energy region B is formed by subjecting the noble metal surface to surface modification, and the high surface energy region A is the low surface energy region B. A part is formed by applying a stimulus from the outside and changing it partially.
FIG. 5 is the same as the other steps except that the steps of the high surface energy region A and the low surface energy region B in FIG. 4 are different. The substrate is formed of platinum (Pt) to be an electrode (lower electrode) on a silicon wafer.
First, a SAM film is formed by coating the entire surface of the substrate surface with a solution containing a SAM forming material. As a film forming method, for example, the substrate is immersed (dip) in an alkanethiol solution to form a SAM film on the entire surface of Pt (FIG. 5b-1).
Next, a photoresist is patterned on the SAM film by photolithography.
FIG. 5b-2 shows a photolithography process for protecting the SAM film necessary for removing the SAM film in the wettability pattern region and dividing it into the high surface energy region A and the low surface energy region B. A state in which the resist is patterned is shown.
In FIG. 5b-3, the SAM film where the photoresist is not formed is removed by performing dry etching on the substrate surface patterned with the photoresist, for example, by irradiating the substrate surface with oxygen plasma. By such surface modification treatment, a wettability pattern is formed by being divided into a high surface energy region A and a low surface energy region B.
FIG. 5c is an inkjet coating process in which a precursor solution (precursor sol) is ejected as droplets by an inkjet device onto a wettability pattern (electrode) in the same manner as described in FIG. Indicates.
Although FIG. 5 illustrates an example in which the SAM film is removed with oxygen plasma and the surface modification process is performed, the surface modification process may be performed by irradiation with ultraviolet rays (UV light).

表面改質工程とインクジェット塗布工程の間に導入される本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法では、実際に使用する濡れ性パターンの他に検査用パターンを予め設けておき、この検査用パターンを用いて行うことができる。
図6は、実際に使用する濡れ性パターンと併設して検査用の濡れ性パターンを設けた非浸透性基板の例を模式的に示す平面図である。
図6において、実際に使用する濡れ性パターン(塗布用パターン)は矩形状(寸法は目的に応じて適宜決められる。実施例では1000μm×50μm)の酸化物電極でできたパターンであり、検査用の濡れ性パターン(検査用パターン)は矩形状(寸法は目的に応じて適宜決められる。実施例では500μm×50μm)の酸化物電極である。検査用パターンは塗布用パターンに対して傾斜(実施例ではθ=5°程度とした。)させて設けられている。
このような配列の検査用パターンに対して、Y軸に平行にインクジェット装置により液滴を吐出すれば高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線(L1)に跨る箇所を含む位置に、液滴を着弾させることができる。
着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察し、観察された液滴の形態(位置・広がり方、移動等)から得られる測定許容値を設定許容値と比較する。測定許容値が設定許容値以上であれば実際に使用する濡れ性パターン(塗布用パターン)に対してインクジェット塗布工程(例えば、PZT膜の形成)を許容できると判断し、製造プロセスを進めることができる。一方、測定許容値が設定許容値未満である場合には、表面改質工程の修正や液滴の着弾位置ずれの改善などが必要と判断される。
図1乃至図2で示した液滴の形態(位置・広がり方、移動等)は画像検査手段により観察するが、このような画像検査手段としては光学顕微鏡などの顕微鏡が用いられる。
酸化物電極としてSrRuOを用いた場合、PZTの表面エネルギーはSrRuOよりも高い傾向にあるため、SrRuOと白金で十分な表面エネルギーコントラストが取れれば2回目以降の検査は省略することができる。
In the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention introduced between the surface modification step and the inkjet coating step, an inspection pattern is provided in advance in addition to the wettability pattern actually used. Can be used.
FIG. 6 is a plan view schematically showing an example of a non-permeable substrate provided with a wettability pattern for inspection in combination with a wettability pattern actually used.
In FIG. 6, the wettability pattern (application pattern) to be actually used is a pattern made of an oxide electrode having a rectangular shape (the dimensions are appropriately determined according to the purpose. In the embodiment, 1000 μm × 50 μm). The wettability pattern (inspection pattern) is an oxide electrode having a rectangular shape (the dimensions are appropriately determined according to the purpose. In the embodiment, 500 μm × 50 μm). The inspection pattern is provided so as to be inclined (in the embodiment, θ = about 5 °) with respect to the coating pattern.
If droplets are ejected by an ink jet device in parallel to the Y axis with respect to the inspection pattern having such an arrangement, the inspection pattern is positioned at a position including a portion straddling the boundary (L1) between the high surface energy region A and the low surface energy region B. , Droplets can be landed.
The form of the landed droplet is observed by the image inspection means, and the measurement allowable value obtained from the observed liquid droplet form (position / spreading, movement, etc.) is compared with the set allowable value. If the measurement allowable value is equal to or greater than the set allowable value, it is determined that the ink-jet application process (for example, formation of a PZT film) can be allowed for the wettability pattern (application pattern) that is actually used, and the manufacturing process can proceed. it can. On the other hand, when the measurement allowable value is less than the set allowable value, it is determined that it is necessary to correct the surface modification process or improve the landing position deviation of the droplet.
The form (position / spreading, movement, etc.) of the droplets shown in FIGS. 1 and 2 is observed by image inspection means, and a microscope such as an optical microscope is used as such image inspection means.
When using SrRuO 3 as the oxide electrode, the surface energy of the PZT is because of the higher tendency than SrRuO 3, SrRuO 3 and platinum the second and subsequent Invite Torere sufficient surface energy contrast test can be omitted .

図7は、インクジェット装置の構成例を示す斜視図である。
図7のインクジェット装置において、架台200の上に、Y軸駆動手段201が設置してあり、その上に基板202を搭載するステージ203がY軸方向に駆動できるように設置されている。なお、ステージ203には図示されていない真空、静電気などの吸着手段が付随して設けられており、基板202が固定されている。また、X軸支持部材204にはX軸駆動手段205が取り付けられており、これにZ軸駆動手段211上に搭載されたヘッドベースが取り付けられており、X軸方向に移動できるようになっている。ヘッドベースの上には液体を吐出させるインクジェットヘッド208が搭載されている。この液滴吐出ヘッド208には図示されていない液体タンクから供給用パイプ210を介して液体が供給される。
FIG. 7 is a perspective view illustrating a configuration example of the ink jet apparatus.
In the inkjet apparatus of FIG. 7, a Y-axis driving unit 201 is installed on the gantry 200, and a stage 203 on which the substrate 202 is mounted is installed on the platform 200 so as to be driven in the Y-axis direction. The stage 203 is provided with suction means such as vacuum and static electricity (not shown), and the substrate 202 is fixed. An X-axis drive unit 205 is attached to the X-axis support member 204, and a head base mounted on the Z-axis drive unit 211 is attached to the X-axis support member 204 so that it can move in the X-axis direction. Yes. An ink jet head 208 that discharges liquid is mounted on the head base. Liquid is supplied to the droplet discharge head 208 through a supply pipe 210 from a liquid tank (not shown).

図7に示すインクジェット装置に搭載されたインクジェットヘッド208は、X、Yの2つの走査方向を持ち、所定の位置に液滴を吐出することができる。例えば、図6に示すパターン(検査用の濡れ性パターンおよび実際に使用する濡れ性パターン)に倣って液滴を吐出することができる。
図6に示すように基板の実際に使用する塗布用パターンは矩形状をしているが、塗布パターンと走査方向が平行になるように基板を載せたステージを回転させ、また基板上のアライメントマークの位置を図示しない塗布装置に付属の顕微鏡を用いて測定することで基板の位置出しを行う。
その結果検査用パターンは走査方向Yに対して、図6に示すθが、例えば、5°程度傾くことになり、検査用パターンを構成する高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む位置にインクジェット装置により液滴を吐出することができる。
図1に示すように、狙いの着弾位置を境界線(L1)と交差させて液滴を直線状に吐出し、液滴列(L2)として着弾させる。例えば、実施例のように各液滴の着弾間隔をDを40μmとし、液滴(前駆体ゾルインク)を8plで吐出して着弾させる。
The ink jet head 208 mounted on the ink jet apparatus shown in FIG. 7 has two scanning directions of X and Y, and can eject droplets at predetermined positions. For example, droplets can be ejected following the pattern shown in FIG. 6 (the wettability pattern for inspection and the wettability pattern actually used).
As shown in FIG. 6, the coating pattern actually used on the substrate is rectangular, but the stage on which the substrate is placed is rotated so that the scanning pattern and the coating direction are parallel, and the alignment mark on the substrate The position of the substrate is measured by using a microscope attached to a coating apparatus (not shown).
As a result, the inspection pattern is inclined with respect to the scanning direction Y by θ of about 5 °, for example, and the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B constituting the inspection pattern. The droplets can be ejected by the ink jet device to a position including the portion extending over the area.
As shown in FIG. 1, droplets are ejected in a straight line with the target landing position intersecting the boundary line (L1) and landed as a droplet row (L2). For example, as in the embodiment, the landing interval of each droplet is set to 40 μm, and the droplet (precursor sol ink) is ejected at 8 pl to be landed.

着弾した液滴の形態を画像検査手段(顕微鏡)により観察し、検査する。検査は塗布装置に付属の顕微鏡(光学顕微鏡)を用いて基板202をステージ203に載せたまま行う。
前記測定許容値が、設定許容値以上であるか否かを判別する。この設定許容値、すなわち着弾位置ずれの許容量は、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る位置を狙って液滴を吐出した場合に許容されるばらつきである。
ここで測定許容値の決め方を説明する。塗布用パターンに液滴を吐出する場合、基板の位置だし(アライメント)誤差、インクジェットヘッドのノズル曲がりの影響を受けて着弾位置ずれを起こす。この塗布時の着弾位置ずれの仕様範囲が±35μm、幅50μmの塗布用パターンの中心線を狙って液滴を吐出したとすると、着弾後の液滴の中心が塗布用パターンの端から35−50/2=10(μm)ずれる可能性がある。そこで設定許容値を10μmとすればよい。
The form of the landed droplet is observed and inspected by an image inspection means (microscope). The inspection is performed with the substrate 202 placed on the stage 203 using a microscope (optical microscope) attached to the coating apparatus.
It is determined whether or not the measurement allowable value is greater than or equal to a set allowable value. This allowable setting value, that is, the allowable amount of landing position deviation is a variation that is allowed when droplets are ejected aiming at a position across the boundary between the high surface energy region A and the low surface energy region B.
Here, how to determine the measurement allowable value will be described. When droplets are ejected onto the coating pattern, the landing position shifts due to the influence of the substrate positioning (alignment) error and the nozzle bending of the inkjet head. Assuming that droplets are ejected aiming at the center line of the coating pattern with a landing position deviation of ± 35 μm and a width of 50 μm at the time of coating, the center of the droplet after landing is 35− from the end of the coating pattern. There is a possibility of deviation from 50/2 = 10 (μm). Therefore, the set allowable value may be set to 10 μm.

検査の結果、十分な表面エネルギーコントラストを持っておらず、測定許容値が設定許容値に合致しない(設定許容値を満たさない)場合、基板はインクジェット塗布工程に適合しないと評価される。設定許容値未満である場合には、加熱して前駆体ゾルインクを乾燥させた後再度表面改質処理を実施し、濡れ性パターンの表面エネルギー検査(濡れ性検査)を行う。濡れ性検査に合格すると判断された後、次のインクジェット塗布工程を実施する。
基板の表面エネルギーの面内ばらつきが懸念される場合は、前記濡れ性検査用パターンを基板内に複数配置してもよい。
As a result of the inspection, if the surface energy contrast is not sufficient and the measurement allowable value does not match the set allowable value (does not satisfy the set allowable value), it is evaluated that the substrate is not suitable for the inkjet coating process. If it is less than the set allowable value, the precursor sol ink is dried by heating, and then the surface modification treatment is performed again, and the surface energy inspection (wetting test) of the wettability pattern is performed. After it is determined that the wettability test is passed, the next inkjet coating process is performed.
If there is a concern about in-plane variation of the surface energy of the substrate, a plurality of wettability test patterns may be arranged in the substrate.

次のインクジェット塗布工程ではインクジェット装置により液滴(PZT前駆体ゾルインク)を図6に示すような濡れ性パターン(塗布用液滴吐出列)上に吐出し塗布を行うことで濡れ性パターンに倣ったパターン(PZT膜)が形成される。
前の濡れ性検査過程で既に基板の回転および位置出しが行われているため、速やかにインクジェット塗布を行うことができる。例えば、図4に示すように、濡れ性パターンがあるため、インクジェット装置に搭載のインクジェットヘッドのノズルばらつきに伴う着弾位置ずれが生じても、濡れ性パターンがあることによって液滴が酸化物電極上に引き込まれ、より高精度にPZT膜をパターニングすることができる(図45C)。
図4D、Fに示す加熱工程では基板に対し最大700℃までの加熱を行い乾燥、熱分解、結晶化を行う。これらの工程を繰り返して1μm以上の膜厚を持つPZT膜を成膜することができる。
In the next inkjet coating process, droplets (PZT precursor sol ink) were ejected onto a wettability pattern (liquid droplet ejection row for coating) as shown in FIG. A pattern (PZT film) is formed.
Since the substrate has already been rotated and positioned in the previous wettability inspection process, ink jet application can be performed quickly. For example, as shown in FIG. 4, since there is a wettability pattern, even if a landing position shift occurs due to nozzle variation of an inkjet head mounted on the inkjet apparatus, the wettability pattern causes the liquid droplets on the oxide electrode. Then, the PZT film can be patterned with higher accuracy (FIG. 45C).
In the heating process shown in FIGS. 4D and 4F, the substrate is heated up to 700 ° C. to be dried, pyrolyzed, and crystallized. By repeating these steps, a PZT film having a thickness of 1 μm or more can be formed.

なお、前記電気−機械変換素子の製造プロセスに使用される非浸透性基板の下地としてシリコン単結晶(SiO)板が好ましく用いられる。ただし、電極として貴金属(特に白金)を用いる場合、シリコン単結晶(SiO)板を下地として用いると密着性が悪いため、密着層を用いることが好ましい。密着層としてはTiO2が挙げられる。密着層はスパッタ法により形成することができる。
また、前記上部電極あるいは第3の電極としては、前記第2の電極と同様に導電性酸化物から構成するのが効果的である。具体的には、一般式ACO(但し、Aは、Sr、Ba、Ca、Laから選択される元素を示し、Cは、Ru、Co、Niから選択される元素を示す。)で表される導電性酸化物が挙げられる。例えば、SrRuOやCaRuOなどが挙げられる。また、配線抵抗を補うために導電性酸化物上に白金やイリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜、またAg合金、Cu、Al、Auを用いることも有効である。
上部電極あるいは第3の電極の作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾル‐ゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
前記電気−機械変換素子を作製する製造プロセス、例えば、(Ia)〜(Ie)の工程の後、または(IIa)〜(IId)の後、電気ショート等による不具合や水分やガス等による素子の破壊防止を目的に絶縁保護膜を設けることができる。絶縁保護膜の材料としては、シリコン酸化膜や窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の無機膜または、ポリイミド、パリレン膜等の有機膜が好ましい。絶縁保護膜の作製方法としては、CVD、スパッタ法、スピンコート法を用いたり、スクリーン印刷工法を用いて、絶縁保護膜の作製を行うこともできる。
Note that a silicon single crystal (SiO 2 ) plate is preferably used as the base of the non-permeable substrate used in the manufacturing process of the electro-mechanical conversion element. However, when a noble metal (especially platinum) is used as the electrode, it is preferable to use an adhesion layer because a silicon single crystal (SiO 2 ) plate is used as a base and adhesion is poor. An example of the adhesion layer is TiO 2 . The adhesion layer can be formed by sputtering.
In addition, the upper electrode or the third electrode is effectively composed of a conductive oxide in the same manner as the second electrode. Specifically, it is represented by the general formula ACO 3 (where A represents an element selected from Sr, Ba, Ca, and La, and C represents an element selected from Ru, Co, and Ni). And conductive oxides. Examples thereof include SrRuO 3 and CaRuO 3 . It is also effective to use platinum group elements such as platinum, iridium and platinum-rhodium, these alloy films, Ag alloy, Cu, Al, and Au on the conductive oxide in order to supplement the wiring resistance.
As a method for producing the upper electrode or the third electrode, it can be produced by a spin coater using a sputtering method or a sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
Manufacturing processes for producing the electro-mechanical conversion element, for example, after the steps (Ia) to (Ie) or after (IIa) to (IId) An insulating protective film can be provided for the purpose of preventing destruction. As a material for the insulating protective film, an inorganic film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film, or an organic film such as a polyimide or parylene film is preferable. As a method for manufacturing the insulating protective film, the insulating protective film can also be manufactured by using a CVD method, a sputtering method, a spin coating method, or a screen printing method.

前述のように、本発明の表面エネルギー検査方法により検査されて測定許容値が予め設定した設定許容値以上であると判別された非浸透性基板上に、電気機械変換膜用の前駆体溶液からなるインクを塗布して電気機械変換膜を製造することができる。
また、非浸透性基板から構成された下部電極と、該下部電極に対向する上部電極とを有し、前記下部電極および前記上部電極間に前記電気機械変換膜を挟持させれば電気機械変換素子とすることができ、これを用いれば液体吐出ヘッドを形成することができる。このような液体吐出ヘッドを配備することによりインクジェット記録装置を構成することができる。
本発明の表面エネルギー検査方法により検査されて製造された電気機械変換膜を備えた電気−機械変換素子は連続吐出しても安定したインク吐出特性を得ることができ、例えば、電気機械変換膜をPZTとした場合にはセラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持することができる。このような電気−機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッドを構成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等の液滴吐出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。
以下、液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置について詳しく説明する。
As described above, from the precursor solution for the electromechanical conversion film on the non-permeable substrate that has been inspected by the surface energy inspection method of the present invention and determined that the measurement allowable value is equal to or higher than a preset set allowable value. The electromechanical conversion film can be manufactured by applying the ink.
An electromechanical conversion element having a lower electrode composed of a non-permeable substrate and an upper electrode facing the lower electrode, and sandwiching the electromechanical conversion film between the lower electrode and the upper electrode If this is used, a liquid discharge head can be formed. An ink jet recording apparatus can be configured by providing such a liquid discharge head.
An electro-mechanical conversion element having an electromechanical conversion film manufactured by inspection by the surface energy inspection method of the present invention can obtain stable ink discharge characteristics even when continuously discharged. When PZT is used, the same characteristics (piezoelectric constant) as the ceramic sintered body can be maintained. If a droplet discharge head is configured using such an electro-mechanical conversion element, it has excellent discharge stability and durability, so it can be applied to printers used in offices, personal printers, MFPs, and other droplet discharge devices. Application to three-dimensional molding technology is also possible.
Hereinafter, the liquid discharge head and the ink jet recording apparatus will be described in detail.

〔液体吐出ヘッド〕
本発明の電気機械変換素子を用いた液体吐出ヘッドの構成を図8及び図9に示す。
図8は、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概略断面図である。
図8に示す液体吐出ヘッドは、下部電極の白金族電極42及び酸化物電極41上に電気機械変換膜43が設けられ、該電気機械変換膜43上には、例えば白金を形成した上部電極44が積層されて電気機械変換素子40を構成している。
振動板30とSi基板である圧力室基板20とノズル11が設けられたノズル板10とで圧力室21が構成されている。
なお、図8では、液体供給手段、流路、流体抵抗は省略している。
[Liquid discharge head]
The configuration of a liquid discharge head using the electromechanical transducer of the present invention is shown in FIGS.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a droplet discharge head including an electro-mechanical conversion element.
In the liquid discharge head shown in FIG. 8, an electromechanical conversion film 43 is provided on the platinum group electrode 42 and the oxide electrode 41 of the lower electrode, and the upper electrode 44 on which, for example, platinum is formed on the electromechanical conversion film 43. Are stacked to constitute the electromechanical transducer 40.
A pressure chamber 21 is configured by the vibration plate 30, the pressure chamber substrate 20 which is a Si substrate, and the nozzle plate 10 provided with the nozzles 11.
In FIG. 8, the liquid supply means, the flow path, and the fluid resistance are omitted.

図9は、図8の液滴吐出ヘッドを複数個配置した例を示す概略断面図である。上述したように、電気機械変換素子40を工程面ではインクの吐出においてノズル開口での目詰まりを発生させることなく簡便に製造することができ、性能面ではセラミック焼結体と同等の高い性能に形成することができる。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、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液体吐出ヘッドが得られる。
なお、図9では液体供給手段、流路、流体抵抗は省略している。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example in which a plurality of droplet discharge heads of FIG. 8 are arranged. As described above, the electromechanical conversion element 40 can be easily manufactured without causing clogging at the nozzle opening in discharging the ink on the process surface, and the performance is as high as that of the ceramic sintered body. Can be formed. A liquid discharge head can be obtained by removing etching from the rear surface for forming the pressure chamber 21 and joining a nozzle plate having nozzle holes.
In FIG. 9, liquid supply means, flow paths, and fluid resistance are omitted.

〔インクジェット記録装置〕
本発明に係る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10及び図11を参照して説明する。なお、図10は同記録装置の斜視説明図、図11は同記録装置の機構部の側面説明図である。
[Inkjet recording device]
An example of an ink jet recording apparatus equipped with the liquid discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 10 is a perspective explanatory view of the recording apparatus, and FIG. 11 is a side explanatory view of a mechanism portion of the recording apparatus.

インクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施した液体吐出ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部82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 that is movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, a recording head that includes the liquid discharge head that implements the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge that supplies ink to the recording head, and the like. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side is detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. 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, and the printing mechanism 82 After recording a required image, the image is discharged to 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からなるヘッド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 head 94 formed of the liquid discharge head according to the present invention that discharges ink droplets of each color (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) passes through a plurality of ink discharge ports (nozzles) in the main scanning direction. And are mounted with the ink droplet ejection 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へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド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 ejection head below, and a porous body filled with ink inside, and a capillary tube for the porous body. The ink supplied to the liquid discharge head by the force is maintained at a slight negative pressure. Further, although the heads 94 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting 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 head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84 and the paper 83 are guided. A guide member 103, a transport roller 104 that reverses and transports the fed paper 83, a transport roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 104, and a leading end that defines a feed angle of the paper 83 from the transport roller 104 A 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を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、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。   Further, a recovery device 117 for recovering defective ejection of the 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 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.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド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。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with the suction unit through the tube. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. 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.

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、これらの実施例によって制限されるものではなく、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。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by these examples, and these examples are appropriately modified without departing from the gist of the present invention. Those are also within the scope of the present invention.

[実施例1]
前述の工程(Ia)〜(Ie)を含む製造プロセスに準拠し、図4の模式図に示すプロセスに従ってPZT膜を形成して電気−機械変換素子を作製した。その際、表面改質工程(Ic)後に、図3に示す本発明の「濡れ性パターンの表面エネルギー検査(濡れ性検査)」を実施して濡れ性検査に合格することを確認した後、次のインクジェット塗布工程(Id)を実施した。(Id)のインクジェット塗布工程において、濡れ性パターンとされた第2の電極上にインクジェット工法(インクジェット装置により液滴を吐出)により電気−機械変換膜を形成した。
まず、シリコンウエハに熱酸化膜を形成し、密着層(TiO2膜)を介在させて第1の電極として白金膜(膜厚250nm)をスパッタ成膜した(Ia)。
次に、第1の電極上にパターン化された第2の電極を形成するため、先ずSrRuO膜(膜厚50nm)をスパッタ成膜し、次いでSrRuO膜上にフォトレジストをスピンコート法で成膜した。このフォトレジスト膜を通常のフォトリソグラフィによりレジストパターンとした後、ドライエッチングにより、図6に示すような検査用パターンと塗布用パターンを形成した(Ib)。
図6のように形成した塗布用パターンの寸法は1000μm×50μmの矩形状とし、検査用パターンの寸法は500μm×50μmの矩形状とした。なお、検査用パターンは塗布用パターンに対してθ=5°程度傾斜させて設けた。
次に、第1の電極の表面改質処理[第1の電極(Pt)表面のみを改質させて疎水性領域とする(図4B)]を実施した(Ic)。
具体的には、図6に示すような濡れ性パターン(検査パターンと塗布用パターン)を形成したシリコンウエハを、アルカンチオール溶液浸漬させ、その後、エタノールで洗浄・乾燥させ、SAM処理を行った。なお、アルカンチオール溶液として、アルカンチオール[CH(CH11−SH]をエタノールに濃度0.1mmol/lに調整して溶解した溶液を用いた。
SAM処理後の白金膜(第1の電極:低表面エネルギー領域B)上の水の接触角は100°以上であるのに対して、SrRuO膜(第2の電極:高表面エネルギー領域A)上の水の接触角は40°以下であり、その後の電気−機械変換膜をインクジェット塗布工程により成膜するのに必要な、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラストが十分取れていることが確認できた。
上記表面改質後、図3に示す検査フローチャートに従って濡れ性パターンの表面エネルギー検査(濡れ性検査)を行った。濡れ性検査には図7に示す構成のインクジェット装置を用いた。
検査において液滴として吐出するPZT前駆体溶液(前駆体ゾルインク)の調製には、出発材料として酢酸鉛(酢酸鉛三水和物)、チタンアルコキシド(イソプロポキシドチタン)、ジルコニウムアルコキシド(イソプロポキシドジルコニウム)を用いた。
酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学量論組成に対して鉛量を10mol%過剰にした。これは電気−機械変換膜形成過程での熱処理中に、鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。すなわち、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および1−ノナノールと混合することでPZT用の前駆体溶液を合成した。
このPZT用の前駆体溶液(前駆体ゾルインク、略称「インク」)を図7に示すインクジェット装置により、図6に示す検査パターンに吐出して濡れ性検査を行った。
図1で説明したように、液滴の狙いの着弾位置は境界線(L1)とθ=5°の角度で交差させて液滴列(L2)として着弾させる。すなわち、図6では検査パターンに対してθ=5°の角度で交差させて液滴を吐出する。その際、各液滴の着弾間隔Dを40μmとし、液滴(前駆体ゾルインク)を8plで吐出した。その結果、測定許容値は13μmであった。
一方使用した塗布装置及びインクジェットヘッドの仕様から計算される着弾ばらつきの範囲は±35μm、塗布用パターン幅は50μmであるから、決定される設定許容値は35−50/2=10(μm)であった。このため、この濡れ性パターンの濡れ性検査は合格となった。
前記非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、液滴の着弾位置ずれが設定許容値以内となる条件で前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程を繰り返し行った。すなわち、インクジェット塗布による一度の成膜で得られる膜厚はクラック発生を抑制するため、100nm前後を目標に行った。すなわち、PZT前駆体の選択塗布、乾燥、500℃での熱分解、結晶化処理(温度750℃)、の各工程を順次繰り返し、合計24回の繰り返しで膜厚1.8μmのPZT膜とした(Id)。
酸化物電極としてSrRuOを用いた場合、PZTの表面エネルギーはSrRuOよりも高い傾向にあるため、SrRuOと白金で十分な表面エネルギーコントラストが取れると判断されることから2回目以降の検査は省略した。
前記形成されたPZT膜上に第3の電極を形成した。
第3の電極は、先ずSrRuO膜(膜厚50nm)およびPt膜(150nm)をスパッタ成膜し、次いでPt膜上にフォトレジストをスピンコート法で成膜し、フォトレジスト膜を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、ドライエッチングすることにより作製した(Ie)。
[Example 1]
In accordance with the manufacturing process including the steps (Ia) to (Ie) described above, a PZT film was formed according to the process shown in the schematic diagram of FIG. At that time, after the surface modification step (Ic), after performing the “surface energy inspection (wetting test) of the wettability pattern” of the present invention shown in FIG. The inkjet coating process (Id) was performed. In the inkjet coating process of (Id), an electro-mechanical conversion film was formed on the second electrode having a wettability pattern by an inkjet method (discharge droplets by an inkjet device).
First, a thermal oxide film was formed on a silicon wafer, and a platinum film (thickness 250 nm) was formed as a first electrode by sputtering with an adhesion layer (TiO 2 film) interposed (Ia).
Next, in order to form a patterned second electrode on the first electrode, first, a SrRuO 3 film (film thickness: 50 nm) is formed by sputtering, and then a photoresist is spin-coated on the SrRuO 3 film. A film was formed. After making this photoresist film into a resist pattern by ordinary photolithography, an inspection pattern and a coating pattern as shown in FIG. 6 were formed by dry etching (Ib).
The dimension of the coating pattern formed as shown in FIG. 6 was a rectangular shape of 1000 μm × 50 μm, and the dimension of the inspection pattern was a rectangular shape of 500 μm × 50 μm. The inspection pattern was provided with an inclination of about θ = 5 ° with respect to the coating pattern.
Next, surface modification treatment of the first electrode [only the surface of the first electrode (Pt) was modified to form a hydrophobic region (FIG. 4B)] was performed (Ic).
Specifically, a silicon wafer on which a wettability pattern (inspection pattern and coating pattern) as shown in FIG. 6 was formed was immersed in an alkanethiol solution, then washed and dried with ethanol, and SAM treatment was performed. As the alkanethiol solution, a solution in which alkanethiol [CH 3 (CH 2 ) 11 -SH] was adjusted to a concentration of 0.1 mmol / l in ethanol and dissolved was used.
The contact angle of water on the SAM-treated platinum film (first electrode: low surface energy region B) is 100 ° or more, whereas the SrRuO 3 film (second electrode: high surface energy region A). The upper water contact angle is 40 ° or less, and the surface energy contrast between the high surface energy region A and the low surface energy region B, which is necessary for forming the subsequent electro-mechanical conversion film by the inkjet coating process, is sufficient. It was confirmed that it was removed.
After the surface modification, the surface energy inspection (wetting test) of the wettability pattern was performed according to the inspection flowchart shown in FIG. For the wettability test, an ink jet apparatus having the configuration shown in FIG. 7 was used.
For the preparation of a PZT precursor solution (precursor sol ink) to be ejected as droplets in inspection, lead acetate (lead acetate trihydrate), titanium alkoxide (isopropoxide titanium), zirconium alkoxide (isopropoxide) are used as starting materials. Zirconium) was used.
Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The amount of lead was excessive by 10 mol% relative to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to lead loss during heat treatment in the electro-mechanical conversion film formation process. That is, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium are dissolved in methoxyethanol, followed by alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixed with methoxyethanol solution and 1-nonanol in which lead acetate is dissolved as described above for PZT. A precursor solution was synthesized.
This precursor solution for PZT (precursor sol ink, abbreviated as “ink”) was ejected onto the test pattern shown in FIG. 6 by the ink jet apparatus shown in FIG.
As described with reference to FIG. 1, the target landing position of the droplet intersects with the boundary line (L1) at an angle of θ = 5 ° and is landed as a droplet row (L2). That is, in FIG. 6, droplets are ejected at an angle of θ = 5 ° with respect to the inspection pattern. At that time, the landing interval D of each droplet was set to 40 μm, and the droplet (precursor sol ink) was discharged at 8 pl. As a result, the measurement tolerance was 13 μm.
On the other hand, the range of landing variation calculated from the specifications of the used coating apparatus and inkjet head is ± 35 μm, and the coating pattern width is 50 μm. Therefore, the set allowable value is 35-50 / 2 = 10 (μm). there were. For this reason, the wettability test of this wettability pattern passed.
A surface modification step for forming a wettability pattern on the non-permeable substrate and a droplet wettability pattern by discharging droplets onto the wettability pattern under a condition that the landing position deviation of the droplet is within a set allowable value. The inkjet coating process for forming the copied pattern was repeated. That is, the film thickness obtained by one-time film formation by inkjet coating was set to around 100 nm in order to suppress the generation of cracks. That is, the steps of selective application of PZT precursor, drying, thermal decomposition at 500 ° C., and crystallization treatment (temperature of 750 ° C.) were sequentially repeated to obtain a PZT film having a film thickness of 1.8 μm by a total of 24 repetitions. (Id).
When using SrRuO 3 as the oxide electrode, the surface energy of the PZT is because of the higher tendency than SrRuO 3, SrRuO 3 and a sufficient surface energy contrast can take from it is determined in second or subsequent test platinum Omitted.
A third electrode was formed on the formed PZT film.
For the third electrode, first, a SrRuO 3 film (film thickness: 50 nm) and a Pt film (150 nm) are formed by sputtering, and then a photoresist is formed on the Pt film by a spin coating method. After forming a resist pattern by lithography, it was produced by dry etching (Ie).

[実施例2]
実施例1において実施した(Ib)の導電性酸化物から成る第2の電極を形成する工程を設けず、(IIa)の金属(Pt)の表面全体をSAM膜で処理して低表面エネルギー領域Bとする工程を経由して、濡れ性パターン(高表面エネルギー領域A)を形成した以外は、実施例1と同様にして電気−機械変換膜を形成した。
すなわち、前述の工程(IIa)〜(IId)を含む製造プロセスに準拠し、図5の模式図に示すプロセスに従ってPZT膜を形成して電気−機械変換素子を作製した。その際、表面改質工程(IIb)後に、図3に示す本発明の「濡れ性パターンの表面エネルギー検査(濡れ性検査)」を実施して濡れ性検査に合格することを確認した後、次のインクジェット塗布工程(IIc)を実施した。
具体的には、シリコンウエハに熱酸化膜を形成し、密着層(TiO2膜)を介在させて第1の電極として白金膜(膜厚250nm)をスパッタ成膜した。
白金膜を形成したシリコンウエハをアルカンチオール溶液浸漬させ、その後、エタノールで洗浄・乾燥させてSAM処理を行い、低表面エネルギー領域Bを形成した(IIa)。アルカンチオール溶液としては実施例1と同様の溶液を用いた。
次いでSAM上にフォトレジストをスピンコート法で成膜した。このフォトレジスト膜を通常のフォトリソグラフィによりレジストパターンとした後、ドライエッチングにより、図6に示すような検査用パターンと塗布用パターンを形成した(IIb)。
SAM処理後の白金膜(低表面エネルギー領域B)上の水の接触角は100°以上であるのに対して、エッチング処理して形成された検査用パターンと塗布用パターン(Pt:高表面エネルギー領域A)上の水の接触角は40°以下であり、その後の電気−機械変換膜をインクジェット塗布工程により成膜するのに必要な、高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの表面エネルギーコントラストが十分取れていることが確認できた。
上記表面改質後、図3に示す検査フローチャートに従って濡れ性パターンの表面エネルギー検査(濡れ性検査)を行った。検査手法は実施例1と全く同様である。
図1で説明したように、液滴の狙いの着弾位置は境界線(L1)とθの角度で交差させて液滴列(L2)として着弾させる。図6では検査パターンに対してθの角度で交差させて液滴を吐出する。その際、各液滴の着弾間隔Dを40μmとし、液滴(前駆体ゾルインク)を8plで吐出した。その結果、測定許容値は15μmであった。
一方、使用した塗布装置及びインクジェットヘッドの仕様から計算される着弾ばらつきの範囲は±35μm、塗布用パターン幅は50μmであるからから決定される設定許容値は35−50/2=10(μm)であった。このため、この濡れ性パターンの濡れ性検査は合格となった。
前記性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、液滴の着弾位置ずれが設定許容値以内となる条件で前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程を繰り返し行った。すなわち、インクジェット塗布による一度の成膜で得られる膜厚はクラック発生を抑制するため、100nm前後を目標に行った。すなわち、PZT前駆体の選択塗布、乾燥、500℃での熱分解、結晶化処理(温度750℃)、の各工程を順次繰り返し、合計24回の繰り返しで膜厚1.8μmのPZT膜とした(IIc)。
前記形成されたPZT膜上に上部電極を形成した。
上部電極は、先ずPt膜(膜厚150nm)をスパッタ成膜し、次いでPt膜上にフォトレジストをスピンコート法で成膜し、フォトレジスト膜を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、ドライエッチングすることにより作製した(IId))。
[Example 2]
The step of forming the second electrode made of the conductive oxide of (Ib) performed in Example 1 is not provided, and the entire surface of the metal (Pt) of (IIa) is treated with a SAM film to obtain a low surface energy region. An electro-mechanical conversion film was formed in the same manner as in Example 1 except that the wettability pattern (high surface energy region A) was formed via the step B.
That is, in accordance with the manufacturing process including the steps (IIa) to (IId) described above, a PZT film was formed according to the process shown in the schematic diagram of FIG. At that time, after the surface modification step (IIb), after performing the “surface energy inspection (wetting test) of the wettability pattern” of the present invention shown in FIG. The inkjet coating process (IIc) was performed.
Specifically, a thermal oxide film was formed on a silicon wafer, and a platinum film (thickness 250 nm) was formed as a first electrode by sputtering with an adhesion layer (TiO 2 film) interposed.
The silicon wafer on which the platinum film was formed was immersed in an alkanethiol solution, then washed with ethanol and dried to perform SAM treatment to form a low surface energy region B (IIa). As the alkanethiol solution, the same solution as in Example 1 was used.
Next, a photoresist was formed on the SAM by spin coating. After making this photoresist film into a resist pattern by ordinary photolithography, an inspection pattern and a coating pattern as shown in FIG. 6 were formed by dry etching (IIb).
The contact angle of water on the platinum film (low surface energy region B) after SAM treatment is 100 ° or more, whereas the inspection pattern and coating pattern (Pt: high surface energy) formed by etching treatment The contact angle of water on the region A) is 40 ° or less, and the surface energy of the high surface energy region A and the low surface energy region B necessary for forming the subsequent electro-mechanical conversion film by the ink jet coating process. It was confirmed that sufficient contrast was obtained.
After the surface modification, the surface energy inspection (wetting test) of the wettability pattern was performed according to the inspection flowchart shown in FIG. The inspection method is exactly the same as in the first embodiment.
As described with reference to FIG. 1, the target landing position of the droplet intersects with the boundary line (L1) at an angle θ and is landed as a droplet row (L2). In FIG. 6, droplets are ejected at an angle θ with respect to the inspection pattern. At that time, the landing interval D of each droplet was set to 40 μm, and the droplet (precursor sol ink) was discharged at 8 pl. As a result, the measurement tolerance was 15 μm.
On the other hand, the range of landing variation calculated from the specifications of the used coating apparatus and inkjet head is ± 35 μm and the coating pattern width is 50 μm, so the setting allowable value determined from 35-50 / 2 = 10 (μm) Met. For this reason, the wettability test of this wettability pattern passed.
A surface modification step for forming a wettability pattern on the wet substrate, and a droplet was ejected onto the wettability pattern under the condition that the landing position deviation of the liquid droplet was within a set allowable value, and imitating the wettability pattern The inkjet coating process for forming the pattern was repeated. That is, the film thickness obtained by one-time film formation by inkjet coating was set to around 100 nm in order to suppress the generation of cracks. That is, the steps of selective application of PZT precursor, drying, thermal decomposition at 500 ° C., and crystallization treatment (temperature of 750 ° C.) were sequentially repeated to obtain a PZT film having a film thickness of 1.8 μm by a total of 24 repetitions. (IIc).
An upper electrode was formed on the formed PZT film.
For the upper electrode, a Pt film (thickness 150 nm) is first formed by sputtering, and then a photoresist is formed on the Pt film by a spin coat method, and a resist pattern is formed on the photoresist film by ordinary photolithography. It was fabricated by dry etching (IId)).

実施例1および実施例2の結果から、本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程とを備えた製造プロセス中に導入することにより、濡れ性パターンの表面エネルギーが簡便に検査できると共に、インクジェット塗布工程で濡れ性パターンに倣ったパターンを形成する際の液滴の着弾位置ずれの許容量を得、インクジェット塗布の精度を高めることができることが確認された。
本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入した製造プロセスにより作製した実施例1および実施例2の電気−機械変換素子は、いずれも濡れ性パターン精度が優れており、この濡れ性パターン上に安定して圧電体薄膜(例えば、PZT)を積層形成することができた。
From the results of Example 1 and Example 2, the surface energy inspection method for wettability pattern according to the present invention was carried out using a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate and droplets on the wettability pattern. The surface energy of the wettability pattern can be easily inspected, and the wettability pattern in the inkjet coating process It was confirmed that the tolerance of the landing position deviation of the droplet when forming a pattern following the above can be obtained, and the accuracy of ink jet coating can be improved.
The electro-mechanical transducers of Example 1 and Example 2 produced by the manufacturing process incorporating the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention have excellent wettability pattern accuracy. A piezoelectric thin film (for example, PZT) could be laminated stably.

本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法を導入した製造プロセスにより作製された電気機械変換膜(例えば、PZT膜)を備えた電気−機械変換素子は、連続吐出しても変位量の劣化が十分抑制され、安定したインク吐出特性を得ることができ、セラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持しており、耐久性に優れたインクジェット装置(例えば、インクジェットプリンタ、MFPを使用するデジタル印刷装置、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等)用として有用であることが確認された。
また、本発明の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法は、非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程と、を備えた製造プロセス中に導入されるものであり、電気−機械変換素子の製造プロセスに限らず各種機能性膜(例えば、カラーフィルター、メタル配線等)用としても有用である。
The electromechanical conversion element provided with the electromechanical conversion film (for example, PZT film) manufactured by the manufacturing process in which the surface energy inspection method of the wettability pattern of the present invention is introduced does not deteriorate the displacement amount even when continuously discharged. Sufficiently suppressed, stable ink ejection characteristics can be obtained, and characteristics (piezoelectric constant) equivalent to those of a ceramic sintered body are maintained, and an ink jet apparatus (for example, an ink jet printer or MFP) having excellent durability is used. It has been confirmed that the present invention is useful for digital printing apparatuses, offices, personal printers, MFPs, and the like.
The wettability pattern surface energy inspection method of the present invention includes a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate, and a droplet is ejected onto the wettability pattern to imitate the wettability pattern. In addition to the electro-mechanical conversion element manufacturing process, for various functional films (for example, color filters, metal wiring, etc.) It is also useful.

(図7の符号)
200 架台
201 Y軸駆動手段
202 基板
203 ステージ
204 X軸支持部材
205 X軸駆動手段
208 インクジエットヘッド
210 供給用パイプ
211 Z軸駆動手段
(図8、9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 酸化物電極
42 下部電極(白金族電極)
43 電気機械変換膜
44 上部電極
(図10,11の符号)
81 記録装置本体
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 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 ガイド部材
116 ガイド部材
117 回復装置
(Reference in FIG. 7)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 Base 201 Y-axis drive means 202 Substrate 203 Stage 204 X-axis support member 205 X-axis drive means 208 Ink jet head 210 Supply pipe 211 Z-axis drive means (reference numerals in FIGS. 8 and 9)
10 Nozzle plate 11 Nozzle 20 Pressure chamber substrate (Si substrate)
21 Pressure chamber 30 Diaphragm 40 Electromechanical transducer 41 Oxide electrode 42 Lower electrode (platinum group electrode)
43 Electromechanical conversion film 44 Upper electrode (reference numerals in FIGS. 10 and 11)
81 Recording Device Body 82 Printing Mechanism Unit 83 Paper 84 Paper Feed Cassette 85 Manual Tray 86 Paper Discharge Tray 91 Main Guide Rod 92 Subordinate Guide Rod 93 Carriage 94 Head 95 Ink Cartridge 97 Main Scanning Motor 98 Drive Pulley 99 Driven Pulley 100 Timing Belt 101 Feed roller 102 Friction pad 103 Guide member 104 Transport roller 105 Transport roller 106 Front roller 107 Sub-scanning motor 109 Printing receiving member 111 Transport roller 112 Spur 113 Discharge roller 114 Spur 115 Guide member 116 Guide member 117 Recovery device

特開2003−121384号公報(特許3975067号公報)JP 2003-121384 A (Patent No. 3975067) 特開2012−124376号公報JP 2012-124376 A

Claims (12)

非浸透性基板上に濡れ性パターンを形成する表面改質工程と、前記濡れ性パターン上に液滴を吐出して濡れ性パターンに倣ったパターンを形成するインクジェット塗布工程と、を備えた製造プロセス中に導入される濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法であって、
表面改質工程により非浸透性基板上に高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bとから構成された濡れ性パターンを形成する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に、インクジェット装置により液滴を吐出する過程と、
前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴の形態を画像検査手段により観察して下記測定許容値を得る過程と、
前記測定許容値が予め設定した設定許容値以上であるか否かを判別する過程と
を含むことを特徴とする濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。
〔測定許容値〕:領域Aと領域Bの表面エネルギーコントラストによって領域A・領域Bの境界線に跨る箇所を含む少なくとも一つ以上の位置に着弾した液滴が領域Bから領域Aに完全に移動する許容の着弾ずれを測定し、その許容の着弾位置の液滴中心から領域A・領域Bの境界線までの最短距離を基に設定された許容値。
Manufacturing process comprising: a surface modification step for forming a wettability pattern on a non-permeable substrate; and an ink jet coating step for forming a pattern following the wettability pattern by discharging droplets on the wettability pattern A surface energy inspection method for wettability patterns introduced in
Forming a wettability pattern composed of a high surface energy region A and a low surface energy region B on a non-permeable substrate by a surface modification step;
A step of ejecting droplets by an ink jet device at at least one position including a portion straddling the boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B;
A process of observing the form of a droplet landed on at least one position including a portion straddling a boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B by an image inspection means to obtain the following measurement allowable value;
And a step of determining whether or not the measurement allowable value is equal to or larger than a preset allowable value.
[Measurement tolerance]: A droplet landed on at least one position including a portion straddling the boundary line between the region A and the region B by the surface energy contrast between the region A and the region B is completely moved from the region B to the region A. An allowable value set based on the shortest distance from the center of the droplet at the allowable landing position to the boundary line between the area A and the area B.
前記画像検査手段が光学顕微鏡であることを特徴とする請求項1に記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   2. The surface energy inspection method for a wettability pattern according to claim 1, wherein the image inspection means is an optical microscope. 前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線が直線状であることを特徴とする請求項1または2に記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   The surface energy inspection method for a wettability pattern according to claim 1 or 2, wherein a boundary line between the high surface energy region A and the low surface energy region B is linear. 前記インクジェット装置により液滴を吐出する過程において、該液滴を前記高表面エネルギー領域Aと低表面エネルギー領域Bの境界線(L1)と交差させて直線状に吐出し液滴列(L2)として着弾させると共に、該液滴列とする際に、下記式(1)中の着弾間隔Dおよび/またはθを制御して各液滴の液滴中心から境界線(L1)までの距離の差を調整することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。
各液滴の液滴中心から境界線(L1)までの距離の差=D×sinθ・・・(1)
[式(1)中、Dは各液滴の着弾間隔、θは境界線(L1)と液滴列(L2)の交差角を示す。]
In the process of ejecting droplets by the inkjet device, the droplets are ejected in a straight line across the boundary line (L1) between the high surface energy region A and the low surface energy region B to form a droplet row (L2). When landing and making the droplet row, the landing interval D and / or θ in the following formula (1) is controlled to determine the difference in distance from the droplet center to the boundary line (L1) of each droplet. The surface energy inspection method for a wettability pattern according to any one of claims 1 to 3, wherein adjustment is performed.
Difference in distance from the center of each droplet to the boundary line (L1) = D × sin θ (1)
[In the formula (1), D represents the landing interval of each droplet, and θ represents the crossing angle between the boundary line (L1) and the droplet row (L2). ]
前記非浸透性基板の表面が貴金属面と非貴金属面とで構成され、前記低表面エネルギー領域Bは該貴金属面に表面改質を施して形成され、前記高表面エネルギー領域Aは該非貴金属面により形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   The surface of the non-permeable substrate is composed of a noble metal surface and a non-noble metal surface, the low surface energy region B is formed by surface modification of the noble metal surface, and the high surface energy region A is formed by the non-noble metal surface. The surface energy inspection method for a wettability pattern according to any one of claims 1 to 4, wherein the wettability pattern is formed. 前記非浸透性基板の表面が貴金属面で構成され、前記低表面エネルギー領域Bは該貴金属面に表面改質を施して形成され、前記高表面エネルギー領域Aは該低表面エネルギー領域Bの一部に外部から刺激を与えて部分的に変化させて形成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   The surface of the non-permeable substrate is composed of a noble metal surface, the low surface energy region B is formed by surface modification of the noble metal surface, and the high surface energy region A is a part of the low surface energy region B. 5. The surface energy inspection method for a wettability pattern according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface energy is partially changed by applying an external stimulus. 前記貴金属面の表面改質がチオール化合物を用いてなされたものであることを特徴とする請求項5または6に記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   The surface energy inspection method for a wettability pattern according to claim 5 or 6, wherein the surface modification of the noble metal surface is performed using a thiol compound. 前記濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法が導入される製造プロセスが、電気−機械変換素子の製造プロセスであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の濡れ性パターンの表面エネルギー検査方法。   The surface energy inspection of the wettability pattern according to any one of claims 1 to 7, wherein the manufacturing process into which the surface energy inspection method of the wettability pattern is introduced is a manufacturing process of an electro-mechanical conversion element. Method. 請求項1乃至8のいずれかに記載の表面エネルギー検査方法により検査され前記測定許容値が予め設定した設定許容値以上であると判別された非浸透性基板上に、電気機械変換膜用の前駆体溶液からなるインクが塗布され、製造されたことを特徴とする電気機械変換膜。   A precursor for an electromechanical conversion film is formed on a non-permeable substrate that has been inspected by the surface energy inspection method according to claim 1 and determined that the measurement allowable value is equal to or greater than a preset allowable value. An electromechanical conversion film produced by applying an ink made of a body solution. 請求項9に記載の電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子であって、
前記非浸透性基板から構成された下部電極と、該下部電極に対向する上部電極とを有し、前記電気機械変換膜が前記下部電極および前記上部電極に挟持されたことを特徴とする電気機械変換素子。
An electromechanical conversion element comprising the electromechanical conversion film according to claim 9,
An electric machine having a lower electrode made of the non-permeable substrate and an upper electrode facing the lower electrode, wherein the electromechanical conversion film is sandwiched between the lower electrode and the upper electrode Conversion element.
請求項10に記載の電気機械変換素子を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。   A liquid discharge head comprising the electromechanical transducer according to claim 10. 請求項11に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。   An ink jet recording apparatus comprising the liquid discharge head according to claim 11.
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