JP2015082541A - Electromechanical conversion element, manufacturing method thereof, liquid droplet discharge head with electromechanical conversion element, ink cartridge, and image forming apparatus - Google Patents

Electromechanical conversion element, manufacturing method thereof, liquid droplet discharge head with electromechanical conversion element, ink cartridge, and image forming apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromechanical conversion element with excellent piezoelectric characteristics, configured by arranging a lower electrode (a metal oxide layer formed on an electrode), an electromechanical conversion film, and an upper electrode on a vibration plate, and configured to prevent hillock from being formed on the lower electrode, without reducing pressure resistance or increasing leak current.SOLUTION: An electromechanical conversion element includes: a lower electrode 403 arranged on a vibration plate 402, formed of a platinum film which has been rapidly heated after deposition, having a (111) preferential plane orientation, and configured so that an X-ray diffraction peak position 2θ derived from the (111) plane may be controlled within a range of 39.90°-40.10°; an electromechanical conversion film 404 formed of a lead zirconate titanate (PZT), and controlled so that an orientation rate of plane orientation (100) of the PZT is 70% or more, and a half width of a rocking curve in plane orientation (200)/(002)of the PZT is controlled to be equal to or less than 10°; and an upper electrode 405. The electromechanical conversion element is formed by arranging a metal oxide layer 403(b) on the lower electrode 403.

Description

本発明は、インクジェット方式の画像形成装置に備えられインク等の液滴を吐出する電気−機械変換素子とその製造方法及び電気−機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ並びに画像形成装置に関する。   The present invention relates to an electro-mechanical conversion element that is provided in an ink jet image forming apparatus and discharges a droplet of ink or the like, a method for manufacturing the electro-mechanical conversion element, a liquid droplet ejection head including the electro-mechanical conversion element, an ink cartridge, and an image forming apparatus. About.

圧電素子は各種半導体装置やキャパシタなどにも使用されており、その製造方法などについて研究が盛んに行われている(例えば、特許文献1参照。)特に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等のインクジェット記録方式の画像形成装置に備えられる液滴吐出ヘッドに電気−機械変換素子が用いられており、良好な圧電特性を得るため種々の製造方法や構成が提案されている(例えば、特許文献2〜特許文献7参照。)。
液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室、(インク流路、加圧液室、吐出室、液室等とも称される。)と、加圧室内のインクを加圧する圧電素子などの電気−機械変換素子、或いはヒータなどの電気−熱変換素子、若しくはインク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなるエネルギー発生手段とを備えて、エネルギー発生手段で発生したエネルギーで加圧室内インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる。圧電式(ピエゾ式)の液滴吐出ヘッド(インクジェット式記録ヘッドとも称される。)には、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、ベンドモードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が既に知られている。また、後者のベンドモード圧電素子のアクチュエータを更に薄膜化した薄膜ピエゾアクチュエータは、その圧電体(ピエゾ)の結晶配向を(100)に制御することによりアクチュエータの変位特性を改善できることが既に知られており、配向を制御する技術について各種研究が行われている。
しかし、圧電素子、キャパシタ、半導体素子などの作製において白金などの電極上に強誘電体薄膜を形成する場合、ヒロック(微小な突起)が発生し、圧電特性や強誘電体としての特性が低下するという問題があり、その抑制方法や対処方法が種々提案されている(例えば、特許文献8〜特許文献15参照。)。
Piezoelectric elements are also used in various semiconductor devices, capacitors, and the like, and research has been actively conducted on manufacturing methods thereof (see, for example, Patent Document 1). In particular, inkjet recording of printers, facsimiles, copying machines, and the like. An electro-mechanical conversion element is used for a droplet discharge head provided in an image forming apparatus of a type, and various manufacturing methods and configurations have been proposed in order to obtain good piezoelectric characteristics (for example, Patent Documents 2 to 5). Reference 7).
The droplet discharge head includes a nozzle that discharges ink droplets, a pressure chamber that communicates with the nozzle, (also referred to as an ink flow path, a pressure liquid chamber, a discharge chamber, and a liquid chamber), and a pressure chamber. An electro-mechanical conversion element such as a piezoelectric element that pressurizes the ink of the ink, or an electro-thermal conversion element such as a heater, or a vibration plate that forms the wall surface of the ink flow path and an energy generation means comprising an electrode facing the diaphragm. Thus, the ink droplets are ejected from the nozzles by pressurizing the ink in the pressurized chamber with the energy generated by the energy generating means. Piezoelectric (piezo type) liquid droplet ejection heads (also called ink jet recording heads) use longitudinal vibration mode piezoelectric actuators that expand and contract in the axial direction of the piezoelectric elements, and bend mode. Two types using a piezoelectric actuator are already known. Further, it is already known that a thin film piezoelectric actuator obtained by further thinning the actuator of the latter bend mode piezoelectric element can improve the displacement characteristics of the actuator by controlling the crystal orientation of the piezoelectric body (piezo) to (100). Various studies have been conducted on techniques for controlling orientation.
However, when a ferroelectric thin film is formed on an electrode such as platinum in the production of a piezoelectric element, a capacitor, a semiconductor element, etc., hillocks (minute protrusions) are generated, and the piezoelectric characteristics and characteristics as a ferroelectric substance are deteriorated. Various suppression methods and coping methods have been proposed (for example, see Patent Documents 8 to 15).

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置に備えられる液滴吐出ヘッドは、複数のノズル開口と、各ノズル開口に連通する加圧液室(加圧室)を有する流路形成基板と、加圧室の一面を形成する振動板とを有し、振動板上に電気−機械変換素子が設けられており、電気−機械変換素子は、振動板上に、下部電極、電気−機械変換膜、上部電極が設けられて構成される。圧電性の高い電気−機械変換素子を得るには、圧電体からなる電気−機械変換膜としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が好ましく用いられ、例えば、振動板上に、密着層(TiOx)、下部電極(白金:Pt)、バッファ層(TiOx)、電気−機械変換膜(PZT)、上部電極を順次層構成するのが有効である。
なお、バッファ層は、TiOxなどの金属酸化物層から構成され、配向面方位の異なる下部電極[白金電極:面方位(111)]の影響を回避して電気−機械変換膜(PZT)の結晶成長[面方位(100)]を妨げないような役割を担う。バッファ層としてはPZTの(100)結晶成長を助長する、所謂シード層としての役割を担うものが好ましい。
前述のように、良好な圧電特性を得るために圧電体の結晶配向、結晶形状を制御する方法が提案されている。例えば、特許文献2(特開平11−191646号公報)では、上部電極と下部電極間に多結晶体からなる圧電体薄膜を挟持し、下部電極の結晶粒界に圧電体の結晶の核となるチタンを島状に形成した構成により圧電特性の向上を図っている。
しかし、下部電極(例えば、白金電極)上に結晶源(Ti)を薄層(40〜60Å)形成するのみでは、Tiが下部電極に拡散し、Tiを薄層形成(酸化処理)する際に白金電極にヒロックが発生する問題がある。すなわち、結晶源(Ti→TiOx)を島状に形成した下部電極上に圧電体薄膜を形成する際に圧電特性の劣化が避けられない。電気−機械変換素子が十分な圧電定数を持っていない場合、液滴吐出ヘッドにおいて要求される吐出特性が満足できないといった問題が起こる。
つまり、電気−機械変換膜(PZT)を圧電特性に優れる面方位(100)の配向膜とするために、下部電極(Pt)上にチタン層(Ti層)を成膜し、かつTi層の電気−機械変換膜(PZT)中への拡散を防止するべく前記Ti層を熱処理(酸化処理)して金属酸化物層(TiOx)とするのが好ましい構成であるが、従来このようなTi層の酸化処理による金属酸化物層形成工程で下部電極上に微細な突起、すなわちヒロックが発生する問題があった。下部電極上にヒロックが発生している例を図1のSEM写真に示す。
下部電極にヒロックが存在すると、電圧印加時に電界の局所的集中が起こり絶縁破壊(耐圧性の低下)が起きたり、電流リーク量が増大(リーク電流の増加)したり、下部電極上部に成膜される各種層(例えば後述の、絶縁保護膜など)を貫通するなどして信頼性に悪影響を与えるという問題があった。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、振動板上に、下部電極と、電気−機械変換膜と、上部電極とを備え、前記下部電極上に金属酸化物層を有する電気−機械変換素子において、金属酸化物層の形成時に酸化処理が施されても下部電極上でのヒロックの発生が抑制され、耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、圧電特性の優れた電気−機械変換素子を提供することを目的とする。
A liquid droplet ejection head provided in an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, or a copying apparatus includes a plurality of nozzle openings, a flow path forming substrate having a pressurized liquid chamber (pressurizing chamber) communicating with each nozzle opening, A diaphragm that forms one surface of the pressure chamber, and an electro-mechanical conversion element is provided on the diaphragm, and the electro-mechanical conversion element includes a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, An upper electrode is provided and configured. In order to obtain an electro-mechanical conversion element with high piezoelectricity, lead zirconate titanate (PZT) is preferably used as an electro-mechanical conversion film made of a piezoelectric material. For example, an adhesion layer (TiOx), It is effective to sequentially form a lower electrode (platinum: Pt), a buffer layer (TiOx), an electromechanical conversion film (PZT), and an upper electrode.
The buffer layer is composed of a metal oxide layer such as TiOx and avoids the influence of the lower electrode having different orientation plane orientation [platinum electrode: plane orientation (111)], and the crystal of the electromechanical conversion film (PZT). It plays a role not to hinder growth [plane orientation (100)]. The buffer layer preferably plays a role as a so-called seed layer that promotes (100) crystal growth of PZT.
As described above, a method of controlling the crystal orientation and crystal shape of a piezoelectric body has been proposed in order to obtain good piezoelectric characteristics. For example, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-191646), a piezoelectric thin film made of a polycrystalline material is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and becomes a nucleus of a piezoelectric crystal at a crystal grain boundary of the lower electrode. Piezoelectric characteristics are improved by a configuration in which titanium is formed in an island shape.
However, when only a thin layer (40 to 60 mm) of crystal source (Ti) is formed on the lower electrode (for example, platinum electrode), Ti diffuses into the lower electrode, and Ti is formed into a thin layer (oxidation treatment). There is a problem that hillocks are generated in the platinum electrode. That is, when the piezoelectric thin film is formed on the lower electrode in which the crystal source (Ti → TiOx) is formed in an island shape, deterioration of the piezoelectric characteristics is inevitable. When the electromechanical conversion element does not have a sufficient piezoelectric constant, there arises a problem that the ejection characteristics required for the droplet ejection head cannot be satisfied.
That is, a titanium layer (Ti layer) is formed on the lower electrode (Pt) in order to make the electro-mechanical conversion film (PZT) an orientation film having a plane orientation (100) excellent in piezoelectric characteristics, and the Ti layer In order to prevent diffusion into the electromechanical conversion film (PZT), the Ti layer is preferably heat treated (oxidized) to form a metal oxide layer (TiOx). In the metal oxide layer forming process by the oxidation treatment, there is a problem that fine protrusions, that is, hillocks are generated on the lower electrode. An example in which hillocks are generated on the lower electrode is shown in the SEM photograph of FIG.
If hillocks exist in the lower electrode, local concentration of the electric field occurs when voltage is applied, causing dielectric breakdown (decrease in pressure resistance), increasing current leakage (increasing leakage current), or forming a film on the lower electrode. There is a problem that reliability is adversely affected by penetrating various layers (for example, an insulating protective film described later).
The present invention has been made in view of the above prior art, and includes an electric electrode having a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, and an upper electrode on a diaphragm, and having a metal oxide layer on the lower electrode. -In mechanical conversion elements, even if an oxidation treatment is performed during the formation of the metal oxide layer, the generation of hillocks on the lower electrode is suppressed, and there is no decrease in withstand voltage or increase in leakage current. -An object is to provide a mechanical conversion element.

本発明者らは前記課題の原因について探る過程で、下部電極上に発生するヒロックは、金属酸化物層形成時におけるチタン層(Ti層)の酸化処理により酸化チタン層(TiOx)とする際に、下部電極(白金膜:Pt膜)に残留応力が存在すること、及びチタン層(Ti層)の酸化処理の際に、チタン/酸素原子がPt膜中へ拡散する現象が組み合わさることによって発生することを知見した。
問題解決のため、下部電極(Pt膜)の成膜温度を単に高める(例えば、500℃)ことで、Pt膜中の残留応力を減らしたが、このような方法では下部電極上に形成する電気−機械変換膜(PZT)の面方位(100)の結晶性が低下して圧電特性が低減してしまった。
一方、Pt膜[面方位が(111)]表面に、金属酸化物層とするためのTi層を成膜する前に、該Pt膜を急速加熱処理(RTA処理とも称する。)を施して残留応力を減らすことにより、ヒロックフリーで同時に良好な圧電特性を持つ電気−機械変換素子が得られることを見出して本発明に至った。急速加熱処理(RTA処理とも称する。)により、Pt膜の優先配向面方位(111)に由来するX線回折ピーク位置2θが、残留応力に伴う歪がないPt本来の40°近傍に回復する(本発明においては39.90°〜40.10°が好ましい)。
すなわち、上記課題は、振動板上に、下部電極と、電気−機械変換膜と、上部電極とを備え、前記下部電極上に金属酸化物層を有する電気−機械変換素子であって、
前記下部電極は成膜後に急速加熱処理(RTA処理)が施された白金膜からなり、該下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θが39.90°〜40.10°の範囲であると共に、
前記電気−機械変換膜がPZTからなり、該PZTの面方位(100)の配向率が70%以上であり、かつPZTの面方位(200)/(002)におけるロッキングカーブの半値幅が10°以下であることを特徴とする電気−機械変換素子により解決される。
In the process of investigating the cause of the above problem, the present inventors generate hillocks on the lower electrode when a titanium oxide layer (TiOx) is formed by oxidation treatment of the titanium layer (Ti layer) during the formation of the metal oxide layer. Occurs by the combination of the presence of residual stress in the lower electrode (platinum film: Pt film) and the phenomenon that titanium / oxygen atoms diffuse into the Pt film during the oxidation treatment of the titanium layer (Ti layer). I found out that
In order to solve the problem, the residual stress in the Pt film is reduced by simply increasing the film formation temperature of the lower electrode (Pt film) (for example, 500 ° C.). -The crystallinity of the plane orientation (100) of the mechanical conversion film (PZT) was lowered and the piezoelectric properties were reduced.
On the other hand, before a Ti layer for forming a metal oxide layer is formed on the surface of the Pt film [plane orientation is (111)], the Pt film is subjected to rapid heating treatment (also referred to as RTA treatment) and remains. By reducing the stress, it was found that an electromechanical conversion element having a good hillock-free and simultaneously good piezoelectric characteristics was obtained, and the present invention was achieved. By rapid heating treatment (also referred to as RTA treatment), the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the preferential orientation plane orientation (111) of the Pt film is restored to around 40 °, which is the original Pt without distortion due to residual stress ( In the present invention, it is preferably 39.90 ° to 40.10 °).
That is, the above-described problem is an electro-mechanical conversion element including a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, and an upper electrode on a diaphragm, and having a metal oxide layer on the lower electrode,
The lower electrode is made of a platinum film that has been subjected to rapid heating treatment (RTA treatment) after film formation, and the preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and an X-ray diffraction peak derived from the (111) plane The position 2θ is in the range of 39.90 ° to 40.10 °;
The electro-mechanical conversion film is made of PZT, the orientation ratio of the plane orientation (100) of the PZT is 70% or more, and the half width of the rocking curve in the plane orientation (200) / (002) of the PZT is 10 °. This is solved by an electromechanical conversion element characterized by the following.

本発明によれば、金属酸化物層を形成する前に急速加熱処理(RTA処理)により下部電極(白金膜)の残留応力が解放されているため、金属酸化物層の形成プロセスにおいて白金膜のヒロックの発生が抑制され、電界の局所的集中による耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、PZTの面方位が(100)に優先配向した圧電特性の優れた電気−機械変換素子が提供される。   According to the present invention, the residual stress of the lower electrode (platinum film) is released by the rapid heating process (RTA process) before the metal oxide layer is formed. Occurrence of hillocks is suppressed, and there is no decrease in pressure resistance or increase in leakage current due to local concentration of electric field, and an electro-mechanical transducer having excellent piezoelectric characteristics in which the plane orientation of PZT is preferentially oriented to (100) is provided. The

金属酸化物層形成工程で下部電極上にヒロックが発生する様子を示すSEM写真である。It is a SEM photograph which shows a mode that a hillock generate | occur | produces on a lower electrode in a metal oxide layer formation process. 本発明の電気−機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the droplet discharge head provided with the electromechanical conversion element of this invention. 本発明の電気−機械変換素子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 electromechanical conversion element of this invention. 下部電極(白金)にRTA処理を施さない場合に下部電極上にヒロックが発生する要因を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the factor which a hillock generate | occur | produces on a lower electrode when not performing RTA process to a lower electrode (platinum). 下部電極にRTA処理を施した場合に下部電極上にヒロック発生が発生しない状態を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the state in which hillock generation | occurrence | production does not generate | occur | produce on a lower electrode when an RTA process is performed to a lower electrode. 絶縁保護膜及び引き出し配線を含む本発明の電気−機械変換素子の別の構成を示す側面図及び平面図である。It is the side view and top view which show another structure of the electromechanical conversion element of this invention containing an insulation protective film and extraction wiring. 本発明の電気−機械変換素子の特性評価を行った場合の代表的なP−Eヒステリシス曲線を示す図である。It is a figure which shows the typical PE hysteresis curve at the time of performing the characteristic evaluation of the electromechanical conversion element of this invention. 本発明の電気−機械変換素子の分極処理前(a)、分極処理後(b)の状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state before the polarization process of the electromechanical conversion element of this invention (a), and after the polarization process (b). 図2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. 3 is another schematic cross-sectional view showing a configuration example of a droplet discharge head configured by arranging a plurality of electro-mechanical conversion elements shown in FIG. 2. 本発明の液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置の一例を示す斜視説明図である。It is a perspective explanatory view showing an example of an image forming apparatus provided with a droplet discharge head of the present invention. 図10に示す画像形成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 image forming apparatus shown in FIG. 実施例において形成した密着層、下部電極、金属酸化物層の形成工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the formation process of the contact | adherence layer, lower electrode, and metal oxide layer which were formed in the Example. 図12のフローチャートに準じて形成された金属酸化膜を表面に有する白金膜のAFM写真である((a)タッピングモード、(b)PMモード)。13 is an AFM photograph of a platinum film having a metal oxide film formed on the surface according to the flowchart of FIG. 12 ((a) tapping mode, (b) PM mode). 実施例の白金膜について測定したRTA処理前後でのXRDピーク位置2θの変化を示す。The change of XRD peak position 2 (theta) before and after the RTA process measured about the platinum film | membrane of an Example is shown. PZTの面方位(200)/(002)におけるロッキングカーブの半値幅を説明する図である。It is a figure explaining the half value width of the rocking curve in the surface orientation (200) / (002) of PZT.

前述のように本発明の電気−機械変換素子は、振動板上に、下部電極と、電気−機械変換膜と、上部電極とを備え、前記下部電極上に金属酸化物層を有する電気−機械変換素子であって、
前記下部電極は成膜後に急速加熱処理(RTA処理)が施された白金膜からなり、該下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θが39.90°〜40.10°の範囲であると共に、
前記電気−機械変換膜がジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなり、該PZTの面方位(100)の配向率が70%以上であり、かつPZTの面方位(200)/(002)におけるロッキングカーブの半値幅が10°以下であることを特徴とするものである。
As described above, the electro-mechanical conversion element of the present invention includes a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, and an upper electrode on a diaphragm, and an electro-mechanical apparatus having a metal oxide layer on the lower electrode. A conversion element,
The lower electrode is made of a platinum film that has been subjected to rapid heating treatment (RTA treatment) after film formation, and the preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and an X-ray diffraction peak derived from the (111) plane The position 2θ is in the range of 39.90 ° to 40.10 °;
The electro-mechanical conversion film is made of lead zirconate titanate (PZT), the orientation ratio of the plane orientation (100) of the PZT is 70% or more, and rocking in the plane orientation (200) / (002) of the PZT The half width of the curve is 10 ° or less.

本発明の電気−機械変換素子は、面方位(100)に優先配向したPZTからなる電気−機械変換膜を備えた構成であり、下部電極の白金膜は急速加熱処理(Rapid Thermal Annealing処理:RTA処理)により残留応力が解放されていることから金属酸化物層の形成プロセスにおいて白金膜のヒロックの発生が抑制される。同様に、電気−機械変換膜の形成の際の結晶化プロセスにおいても白金膜のヒロックの発生は抑制される。ヒロックの発生が防止されることから、電界の局所的集中による耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、PZTの面方位が(100)に優先配向した圧電特性の優れた電気−機械変換素子が提供される。
PZTの面方位が(100)に優先配向した電気−機械変換素子とすれば、セラミック焼結体と同等の圧電定数(例えば、−130〜−160pm/V程度)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、画像各種画像形成装置に応用できる。
The electro-mechanical conversion element of the present invention has a configuration including an electro-mechanical conversion film made of PZT preferentially oriented in the plane orientation (100), and the platinum film of the lower electrode is subjected to rapid thermal annealing (RTA). Since the residual stress is released by the treatment, generation of hillocks in the platinum film is suppressed in the metal oxide layer formation process. Similarly, generation of hillocks in the platinum film is also suppressed in the crystallization process when forming the electromechanical conversion film. Since the generation of hillocks is prevented, there is no decrease in pressure resistance due to local concentration of electric field or increase in leakage current, and the electro-mechanical conversion element having excellent piezoelectric characteristics in which the plane orientation of PZT is preferentially oriented to (100) Is provided.
If the electro-mechanical conversion element has a PZT plane orientation preferentially oriented to (100), a piezoelectric constant equivalent to that of the ceramic sintered body (for example, about -130 to -160 pm / V) can be maintained. If a droplet discharge head is configured using such an electro-mechanical conversion element, it is excellent in discharge stability and durability, and can be applied to various image forming apparatuses.

本発明の電気−機械変換素子は、電圧印加時の耐圧性低下やリーク電流の増加がなく、高い圧電定数が確保された構成を有するものであり、基本的な構成は、振動板上に、下部電極(白金膜)、電気−機械変換膜(PZT)、上部電極を備え、前記下部電極上に金属酸化物層を有し、前記各層が積層されパターニングされた構造からなる。
後述のように、前記金属酸化物層は、構成成分としてチタンを含み、該成膜したチタン層を酸化処理(例えば、650℃〜800℃)したものが好ましい。このような金属酸化物層を形成することにより、PZT形成時に金属粒子の拡散を抑制してPZTの圧電定数や電気特性の劣化を防ぐことができる。さらに、金属酸化物層の構成成分としてチタンを含むことで、圧電特性の良好なPZT(100)を成長させることができ、また電気−機械変換膜の成分元素であるチタンを用いることで拡散による圧電特性の劣化を防止することができる。このような効果から、本発明において、金属酸化物層は、バッファ層と呼称することができる。
しかし、前記チタン層を酸化処理する工程で下部電極上にヒロックが発生するため、下記のように、下部電極は成膜後に急速加熱処理(RTA処理)が必要である。
The electro-mechanical conversion element of the present invention has a configuration in which a high piezoelectric constant is ensured without lowering the pressure resistance when a voltage is applied or an increase in leakage current, and the basic configuration is as follows. The structure includes a lower electrode (platinum film), an electro-mechanical conversion film (PZT), and an upper electrode, and has a metal oxide layer on the lower electrode, and the layers are stacked and patterned.
As will be described later, the metal oxide layer preferably contains titanium as a constituent component, and the formed titanium layer is oxidized (for example, 650 ° C. to 800 ° C.). By forming such a metal oxide layer, it is possible to suppress the diffusion of metal particles during the formation of PZT and prevent the deterioration of the piezoelectric constant and electrical characteristics of PZT. Furthermore, by including titanium as a constituent component of the metal oxide layer, PZT (100) having excellent piezoelectric characteristics can be grown, and by using titanium, which is a component element of the electro-mechanical conversion film, by diffusion. Deterioration of piezoelectric characteristics can be prevented. Because of such effects, in the present invention, the metal oxide layer can be referred to as a buffer layer.
However, since hillocks are generated on the lower electrode in the step of oxidizing the titanium layer, the lower electrode needs to be subjected to rapid heating treatment (RTA treatment) after film formation as described below.

本発明における前記急速加熱処理(RTA処理)とは、所定の温度(例えば、白金膜の処理としては650℃〜850℃が好ましい。)まで昇温速度10℃/秒以上で加熱し、該所定の温度で所定時間(例えば、白金膜の処理では1分〜5分が好ましい。)保持処理することを指す。
白金膜の処理温度が650℃未満であれば、応力を十分に緩和することができなくなり、850℃を超えると、Pt(111)への配向が強すぎるため、PZT形成時に(100)の成長が阻害される。
すなわち、下部電極は成膜後に急速加熱処理(RTA処理)が施された白金膜からなり、該下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θが39.90°〜40.10°の範囲とされる。
白金本来のPt(111)配向面のX線回折ピーク位置2θは40°付近に観察されるが、応力などにより結晶格子が歪むとX線回折ピーク位置2θにずれが生じる。すなわち、40°付近からの2θのずれを測定すれば結晶格子の歪を知ることができる。
本発明においては、前記RTA処理により、残留応力による結晶格子の歪を解放し、白金本来のPt(111)配向とした後、金属酸化物層(例えば、成膜したチタン層を酸化処理)を形成するので、下部電極である白金膜のヒロックの発生を防ぎ、耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、PZTの面方位が(100)に優先配向した圧電特性の優れた電気−機械変換素子とすることができる。
RTA処理により下部電極の残留応力を解放することで、さらに、電気−機械変換膜(PZT)を形成する際の結晶化プロセス(加熱処理)においてもヒロックの発生を防ぐことができる。
The rapid heating treatment (RTA treatment) in the present invention is a heating to a predetermined temperature (for example, 650 ° C. to 850 ° C. is preferable for the treatment of a platinum film) at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more. The holding treatment is performed for a predetermined time (for example, 1 to 5 minutes is preferable in the treatment of a platinum film) at a temperature of 5 ° C.
If the treatment temperature of the platinum film is less than 650 ° C., the stress cannot be sufficiently relaxed. If the treatment temperature exceeds 850 ° C., the orientation to Pt (111) is too strong, so that (100) grows at the time of PZT formation. Is inhibited.
That is, the lower electrode is made of a platinum film that has been subjected to rapid heating treatment (RTA treatment) after film formation, the preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and X-ray diffraction derived from the (111) plane The peak position 2θ is in the range of 39.90 ° to 40.10 °.
The X-ray diffraction peak position 2θ of the original Pt (111) orientation plane of platinum is observed at around 40 °. However, when the crystal lattice is distorted due to stress or the like, the X-ray diffraction peak position 2θ is shifted. That is, the distortion of the crystal lattice can be known by measuring the 2θ deviation from around 40 °.
In the present invention, the RTA treatment releases the distortion of the crystal lattice due to the residual stress to obtain the original Pt (111) orientation of platinum, and then the metal oxide layer (for example, the formed titanium layer is oxidized). As a result, it is possible to prevent the occurrence of hillocks in the platinum film as the lower electrode, there is no decrease in pressure resistance or increase in leakage current, and the electro-mechanical conversion with excellent piezoelectric properties in which the plane orientation of PZT is preferentially oriented to (100) It can be set as an element.
By releasing the residual stress of the lower electrode by the RTA treatment, generation of hillocks can also be prevented in the crystallization process (heat treatment) when forming the electro-mechanical conversion film (PZT).

前記RTA処理が施された白金膜の粒径は60nm〜280nmの範囲であることが好ましい。粒径が60nm〜280nmであれば、電気−機械変換膜(PZT)の面方位(100)が優先配向した良好な圧電特性を持つ電気−機械変換素子を得ることができる。
また、下部電極の表面粗さRzは50nm以下であることが好ましい。Rzが50nmを超えると、下部電極上にヒロックが存在することに対応することから、耐圧性の低下やリーク電流の増加などの問題を生ずる。Rzは原子間力顕微鏡(AFM)により測定される。
The platinum film subjected to the RTA treatment preferably has a particle size in the range of 60 nm to 280 nm. When the particle size is 60 nm to 280 nm, an electromechanical conversion element having good piezoelectric characteristics in which the plane orientation (100) of the electromechanical conversion film (PZT) is preferentially oriented can be obtained.
The surface roughness Rz of the lower electrode is preferably 50 nm or less. When Rz exceeds 50 nm, it corresponds to the presence of hillocks on the lower electrode, which causes problems such as a decrease in pressure resistance and an increase in leakage current. Rz is measured by an atomic force microscope (AFM).

また、振動板である下地(Si基板)と下部電極(Pt膜)の接着性は必ずしも良くないことから、これらの間に密着層を設けることが好ましい。圧電特性に影響がなく密着性の良い材料であれば特に制約はなく用いられるが、後述のように金属酸化物(例えば、酸化チタン)からなる膜(結晶膜)は好ましく用いられる。   In addition, since the adhesiveness between the base (Si substrate) which is a vibration plate and the lower electrode (Pt film) is not necessarily good, it is preferable to provide an adhesion layer between them. Any material that does not affect the piezoelectric characteristics and has good adhesion can be used without particular limitation, but a film (crystalline film) made of a metal oxide (for example, titanium oxide) is preferably used as described later.

本発明の電気−機械変換素子では、高い圧電定数を確保するため、電気−機械変換膜は面方位(100)に優先配向したPZTとした。電気−機械変換膜が十分な圧電定数を持っていない場合、例えば、インクジェット記録方式の画像形成装置に用いられる液滴吐出ヘッドでは求められる吐出特性(例えば、電気−機械変換膜の変位量や連続吐出後の変位量維持など)が満足できないといった問題が起こる。
ここで、PZTの面方位(100)の配向率が70%以上であり、かつ面方位(200)/(002)におけるロッキングカーブ半値幅が10°以下であるのが好ましい。
PZTの面方位(100)に優先配向させることにより、電気−機械変換膜の圧電特性を向上させることができ、配向率が70%以上であれば、高い圧電定数が得られる。
図15は、PZTの面方位(200)/(002)付近[2θ=44.7°]におけるロッキングカーブの半値幅を説明する図である。なお、面方位(200)と面方位(002)は回折角が近いため、(200)/(002)としてまとめて表記した。
ロッキングカーブとは、試料結晶に対してX線を入射し、試料に対する前記X線の入射角をブラッグ条件を満たす近傍において、一定の速度で回転した時に測定される回折強度曲線である。前記回折曲線におけるピークでの半値幅がロッキングカーブ半値幅である。そのため、前記ロッキングカーブ半値幅は基板に対する結晶の一軸性を示している。PZTが十分な一軸性を持っていれば、すなわち(200)/(002)のロッキングカーブ半値幅が10°以下であれば、十分な劣化耐性をもたせることができる。
In the electromechanical conversion element of the present invention, in order to ensure a high piezoelectric constant, the electromechanical conversion film was PZT preferentially oriented in the plane orientation (100). When the electro-mechanical conversion film does not have a sufficient piezoelectric constant, for example, ejection characteristics required for a droplet ejection head used in an inkjet recording type image forming apparatus (for example, the displacement amount of the electro-mechanical conversion film or the continuous There is a problem that the displacement amount after discharge is not satisfied.
Here, it is preferable that the orientation ratio of the plane orientation (100) of the PZT is 70% or more and the full width at half maximum of the rocking curve in the plane orientation (200) / (002) is 10 ° or less.
By preferentially orienting the surface orientation (100) of PZT, the piezoelectric characteristics of the electromechanical conversion film can be improved, and a high piezoelectric constant can be obtained if the orientation rate is 70% or more.
FIG. 15 is a diagram for explaining the full width at half maximum of the rocking curve in the vicinity of the plane orientation (200) / (002) of PZT [2θ = 44.7 °]. Since the plane orientation (200) and the plane orientation (002) have close diffraction angles, they are collectively described as (200) / (002).
The rocking curve is a diffraction intensity curve measured when X-rays are incident on a sample crystal and rotated at a constant speed in the vicinity of the X-ray incident angle on the sample satisfying the Bragg condition. The full width at half maximum at the peak in the diffraction curve is the full width at half maximum of the rocking curve. Therefore, the rocking curve half-width indicates the uniaxiality of the crystal with respect to the substrate. If the PZT has sufficient uniaxiality, that is, if the rocking curve half width of (200) / (002) is 10 ° or less, sufficient deterioration resistance can be provided.

すなわち、本発明の電気−機械変換素子は、
密着層形成工程、下部電極形成工程、金属酸化物層形成工程、電気−機械変換膜形成工程、及び上部電極形成工程を備え、
前記下部電極形成工程は、
密着層上に白金膜を形成する工程と、
形成された白金膜を昇温速度10℃/秒以上で650℃〜850℃に加熱して1分〜5分急速加熱処理(RTA処理)する工程を含み、
前記金属酸化物層形成工程は、
RTA処理された白金膜表面にチタン層を成膜し、650℃〜800℃の温度で酸化処理して金属酸化物層を形成する工程を含み、
前記電気−機械変換膜形成工程は、
金属酸化物層上にPZT前駆体溶液を塗布して積層形成する工程を含み、
前記上部電極形成工程は、金属電極膜、もしくは金属酸化物電極膜と金属電極膜により形成する工程を含む製造方法により好適に得られる。
That is, the electromechanical transducer of the present invention is
An adhesion layer forming step, a lower electrode forming step, a metal oxide layer forming step, an electromechanical conversion film forming step, and an upper electrode forming step;
The lower electrode forming step includes
Forming a platinum film on the adhesion layer;
A step of heating the formed platinum film to 650 ° C. to 850 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more and performing rapid heating treatment (RTA treatment) for 1 minute to 5 minutes,
The metal oxide layer forming step includes
Including a step of forming a titanium layer on the surface of the platinum film subjected to RTA treatment, and forming a metal oxide layer by oxidation treatment at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C.
The electro-mechanical conversion film forming step includes:
Including a step of applying a PZT precursor solution on the metal oxide layer to form a laminate;
The upper electrode forming step is preferably obtained by a manufacturing method including a step of forming a metal electrode film or a metal oxide electrode film and a metal electrode film.

ここで、密着層形成工程、下部電極形成工程、金属酸化物層形成工程は、後述の実施例で示したフローチャート(図12参照)に準じて実施することができる。なお、図12の密着層形成工程は、チタン層を成膜して酸化処理する例を示す。   Here, the adhesion layer forming step, the lower electrode forming step, and the metal oxide layer forming step can be performed in accordance with a flowchart (see FIG. 12) shown in an example described later. Note that the adhesion layer forming step in FIG. 12 shows an example in which a titanium layer is formed and oxidized.

本発明について、さらに図面を用いて詳細に解説する。
図2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2の構成では、インク滴を吐出するノズル102と、このノズルが連通する加圧室101と、下地(振動板)105と、加圧室内のインクを加圧する電気−機械変換素子109とを備えている。電気−機械変換素子109は、下部電極(白金膜)106上に、電気−機械変換膜(PZT)107と、上部電極108とを備え、前記下部電極上に図示しない金属酸化物層を有する。
すなわち、本発明の電気−機械変換素子は、複数のノズル開口(ノズル102)と、各ノズル開口に連通する加圧液室(圧力室101)を有する流路形成基板[圧力室基板(Si基板)104]と、加圧液室の一面を形成する下地(振動板)105とを有する液滴吐出ヘッドの前記振動板上に、下部電極106と、電気−機械変換膜107と、上部電極108とを備え、前記下部電極上に図示しない金属酸化物層を有する。必要により、振動板105と下部電極(白金膜)106の間に図示しない密着層[例えば、酸化チタン(TiOx)]を設けるのが好ましい。
電気−機械変換素子109はエネルギー発生手段であり、電気−機械変換素子で発生したエネルギーで圧力室101内のインクを加圧することによってノズル102からインク滴を吐出させる。なお、図2では下部電極(106)と上部電極(108)に電圧を印加して電気−機械変換膜107を振動させて前記エネルギーを発生させる。図2中、符号103はノズル板を示す。
The present invention will be further described in detail with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a droplet discharge head including an electro-mechanical conversion element.
In the configuration of FIG. 2, a nozzle 102 that ejects ink droplets, a pressure chamber 101 that communicates with the nozzle, a base (vibration plate) 105, and an electro-mechanical conversion element 109 that pressurizes ink in the pressure chamber. I have. The electro-mechanical conversion element 109 includes an electro-mechanical conversion film (PZT) 107 and an upper electrode 108 on a lower electrode (platinum film) 106, and has a metal oxide layer (not shown) on the lower electrode.
That is, the electromechanical conversion element of the present invention includes a flow path forming substrate [pressure chamber substrate (Si substrate) having a plurality of nozzle openings (nozzles 102) and a pressurized liquid chamber (pressure chamber 101) communicating with each nozzle opening. 104] and a lower electrode 106, an electro-mechanical conversion film 107, and an upper electrode 108 on the vibration plate of the droplet discharge head having a base (vibration plate) 105 that forms one surface of the pressurized liquid chamber. And a metal oxide layer (not shown) is provided on the lower electrode. If necessary, it is preferable to provide an adhesion layer [for example, titanium oxide (TiOx)] (not shown) between the diaphragm 105 and the lower electrode (platinum film) 106.
The electro-mechanical conversion element 109 is energy generating means, and ejects ink droplets from the nozzle 102 by pressurizing ink in the pressure chamber 101 with energy generated by the electro-mechanical conversion element. In FIG. 2, a voltage is applied to the lower electrode (106) and the upper electrode (108) to vibrate the electromechanical conversion film 107 to generate the energy. In FIG. 2, reference numeral 103 denotes a nozzle plate.

上記のように、流路形成基板(圧力室基板)にはシリコン基板(Si基板)が好ましく用いられ、一方の面に、電気−機械変換素子が形成され、電気−機械変換素子上には、基本構成として、図示しない層間絶縁膜、外部駆動回路からの信号を伝達するメタル配線、さらにメタル配線を保護するためのパッシベーション保護膜などが形成される。
ている。また、Si基板の他方の面には振動板を介して、圧力室が形成されている。このように構成された電気−機械変換素子は、隔壁上に形成された接合面段差(図示しない層間絶縁膜、メタル配線、パッシベーション保護膜などによって形成されている)と、サブフレーム接合面とを接着剤によって接合する構成としている。
また、ノズル基板103は周知のプレス加工あるいはNi電鋳工法等によってノズル孔が形成されており、圧力室基板(Si基板)104の圧力室101面に接着剤によって接合されている。
As described above, a silicon substrate (Si substrate) is preferably used for the flow path forming substrate (pressure chamber substrate), an electro-mechanical conversion element is formed on one surface, and on the electro-mechanical conversion element, As a basic configuration, an interlayer insulating film (not shown), a metal wiring for transmitting a signal from an external drive circuit, and a passivation protective film for protecting the metal wiring are formed.
ing. Further, a pressure chamber is formed on the other surface of the Si substrate via a vibration plate. The electro-mechanical conversion element configured as described above has a junction surface step (formed by an interlayer insulating film, a metal wiring, a passivation protection film, etc., not shown) formed on the partition wall and a subframe junction surface. It is configured to be joined by an adhesive.
The nozzle substrate 103 has nozzle holes formed by a known press process or Ni electroforming method, and is bonded to the pressure chamber 101 surface of the pressure chamber substrate (Si substrate) 104 with an adhesive.

本発明の電気−機械変換素子の構成例を図3の概略断面図に示す。
図3の構成では、基板401、振動板402、密着層403(a)、下部電極403、金属酸化物層403(b)、電気−機械変換膜404、上部電極405を備えている。
ここで、上部電極に関しては、電気的にも十分な比抵抗値が得られる導電層を備えることが好ましい。さらに、電気−機械変換素子をアクチュエータとして動作させた際の連続駆動時に変位等の低下を抑制するには電気−機械変換膜404と接する側の上部電極403は導電性を有する酸化物電極層を含むことが好ましい。
本発明の電気−機械変換素子において、前記下部電極は、金属酸化物層の形成前に成膜した白金膜をRTA処理が施されたものである。下部電極の優先配向面方位は(111)であって、(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θが39.90°〜40.10°の範囲に制御される。
また、電気−機械変換膜はジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなる。PZTの面方位(100)の配向率は70%以上、かつ面方位(200)と面方位(002)の比[(200)/(002)]におけるロッキングカーブ半値幅が10°以下に制御される。
A configuration example of the electromechanical conversion element of the present invention is shown in a schematic cross-sectional view of FIG.
3 includes a substrate 401, a diaphragm 402, an adhesion layer 403 (a), a lower electrode 403, a metal oxide layer 403 (b), an electro-mechanical conversion film 404, and an upper electrode 405.
Here, with respect to the upper electrode, it is preferable to provide a conductive layer capable of obtaining a sufficient specific resistance value electrically. Further, in order to suppress a decrease in displacement or the like during continuous driving when the electro-mechanical conversion element is operated as an actuator, the upper electrode 403 on the side in contact with the electro-mechanical conversion film 404 is made of a conductive oxide electrode layer. It is preferable to include.
In the electromechanical conversion element of the present invention, the lower electrode is obtained by subjecting a platinum film formed before the formation of the metal oxide layer to RTA treatment. The preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the (111) plane is controlled in the range of 39.90 ° to 40.10 °.
The electromechanical conversion film is made of lead zirconate titanate (PZT). The orientation ratio of the PZT plane orientation (100) is controlled to 70% or more, and the rocking curve half width at the ratio ((200) / (002)) of the plane orientation (200) to the plane orientation (002) is controlled to 10 ° or less. The

前述のように、本発明における電気−機械変換素子は、密着層形成工程、下部電極形成工程、金属酸化物層形成工程、電気−機械変換膜形成工程、及び上部電極形成工程を備えた製造方法により得られる。
ここで、前記下部電極形成工程は、密着層上に白金膜を形成する工程と、形成された白金膜を昇温速度10℃/秒以上で650℃〜850℃に加熱して1分〜5分急速加熱処理(RTA処理)する工程を含む。また、前記金属酸化物層形成工程は、RTA処理された白金膜表面にチタン層を成膜し、650℃〜800℃の温度で酸化処理して金属酸化物層を形成する工程を含む。さらに前記電気−機械変換膜形成工程は、金属酸化物層上にPZT前駆体溶液を塗布して積層形成する工程を含む。そして、前記上部電極形成工程は、金属電極膜、もしくは金属酸化物電極膜と金属電極膜により形成する工程を含む。
特に限定されないが、図3を参照して実施形態例について説明する。
図3に示すように、基板401上に振動板402を形成する。基板401としては面方位(111)のシリコンウェハ(例えば、625μm程度)を用い、振動板402は基板(Si基板)の熱酸化膜、およびCVD法によってシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコン膜などが所望の構成にて形成されたものである。
次に、振動板402上に、密着層403(a)、下部電極403、金属酸化物層(例えば、チタンを含む層:TiOx)403(b)、電気−機械変換膜(PZT)404、上部電極405が形成される。
限定されるものではないが、図3のように振動板402と下部電極403の間に密着層(例えば、チタンを含む層:TiOx)403(a)が設けられるのが好ましい。密着層および金属酸化物層は、下部電極と一体のものとして捉えることができ、これらはスパッタ法によって形成することができ、必要な熱処理が施される。
電気−機械変換膜は、例えば、PZT前駆体溶液を用いゾルゲル法により所望の厚みに形成される。
電気−機械変換膜(PZT)上に、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:SRO)層と白金層(Pt層)を積層構成して上部電極405とされる。
As described above, the electro-mechanical conversion element according to the present invention includes an adhesion layer forming step, a lower electrode forming step, a metal oxide layer forming step, an electro-mechanical conversion film forming step, and an upper electrode forming step. Is obtained.
Here, the lower electrode forming step includes a step of forming a platinum film on the adhesion layer, and the formed platinum film is heated to 650 ° C. to 850 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more for 1 minute to 5 minutes. The process includes a minute rapid heating process (RTA process). Further, the metal oxide layer forming step includes a step of forming a metal oxide layer by forming a titanium layer on the surface of the platinum film subjected to the RTA treatment, and oxidizing at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. Further, the electro-mechanical conversion film forming step includes a step of applying a PZT precursor solution on the metal oxide layer to form a laminate. The upper electrode forming step includes a step of forming a metal electrode film or a metal oxide electrode film and a metal electrode film.
Although not particularly limited, an exemplary embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 3, the diaphragm 402 is formed on the substrate 401. The substrate 401 is a silicon wafer having a plane orientation (111) (for example, about 625 μm), and the diaphragm 402 is a thermal oxide film of the substrate (Si substrate), and a silicon oxide film, a silicon nitride film, a polysilicon film by a CVD method. Etc. are formed in a desired configuration.
Next, on the diaphragm 402, an adhesion layer 403 (a), a lower electrode 403, a metal oxide layer (for example, a layer containing titanium: TiOx) 403 (b), an electro-mechanical conversion film (PZT) 404, an upper portion An electrode 405 is formed.
Although not limited, it is preferable that an adhesion layer (for example, a layer containing titanium: TiOx) 403 (a) is provided between the diaphragm 402 and the lower electrode 403 as shown in FIG. The adhesion layer and the metal oxide layer can be regarded as being integrated with the lower electrode, and can be formed by a sputtering method and subjected to necessary heat treatment.
The electro-mechanical conversion film is formed to have a desired thickness by, for example, a sol-gel method using a PZT precursor solution.
On the electro-mechanical conversion film (PZT), for example, a strontium ruthenate (SrRuO 3 : SRO) layer and a platinum layer (Pt layer) are laminated to form the upper electrode 405.

密着層及び金属酸化物層の形成でそれぞれチタン(Ti)を用いる場合、密着層及び金属酸化物層においては成膜したTi膜の拡散を防止するため、それぞれ熱処理を施してTiOxとするのが好ましい。熱処理としては、前述のようなRTA処理が好ましく適用できる。密着層及び金属酸化物層の形成において成膜されたTi層は、いずれも650℃〜800℃(例えば、730℃程度)でRTA処理されTiOx膜とされる。
前述の、振動板/密着層(TiOx)/下部電極(Pt)/金属酸化物層(TiOx)/電気−機械変換膜(PZT)/上部電極(SRO層・Pt層)から構成される電気−機械変換素子構造は、圧電性の高い電気−機械変換膜、すなわち面方位(100)の配向率が70%以上に優先配向したPZT(100)を得るうえで有効な層構成である。
このような構成において、スパッタ法等により成膜した下部電極(Pt膜)上に、RTA処理を施さずそのまま金属酸化物層(TiOx)を成膜形成する工程を実施すれば、すなわちTi膜を金属酸化物層(TiOx)とする熱処理(RTA処理)を行えば、下部電極上にヒロック(図1参照)が発生する。下部電極上にヒロックが発生すれば、前述のように電界の局所的集中による耐圧性の低下、リーク電流の増加、下部電極上部に成膜される膜を貫通するなどして信頼性に悪影響を与えるという問題を生じる。
When titanium (Ti) is used in the formation of the adhesion layer and the metal oxide layer, respectively, in order to prevent diffusion of the formed Ti film in the adhesion layer and the metal oxide layer, heat treatment is performed to obtain TiOx. preferable. As the heat treatment, the RTA treatment as described above can be preferably applied. The Ti layer formed in the formation of the adhesion layer and the metal oxide layer is RTA-treated at 650 ° C. to 800 ° C. (for example, about 730 ° C.) to form a TiOx film.
Electricity composed of the aforementioned diaphragm / adhesion layer (TiOx) / lower electrode (Pt) / metal oxide layer (TiOx) / electro-mechanical conversion film (PZT) / upper electrode (SRO layer / Pt layer) The mechanical conversion element structure is an effective layer structure for obtaining an electro-mechanical conversion film having high piezoelectricity, that is, PZT (100) preferentially oriented with a plane orientation (100) orientation ratio of 70% or more.
In such a configuration, if a step of forming a metal oxide layer (TiOx) as it is without performing RTA treatment on the lower electrode (Pt film) formed by sputtering or the like, that is, a Ti film is formed. When heat treatment (RTA treatment) for forming a metal oxide layer (TiOx) is performed, hillocks (see FIG. 1) are generated on the lower electrode. If hillocks occur on the lower electrode, the reliability is adversely affected by decreasing the withstand voltage due to local concentration of the electric field, increasing the leakage current, and penetrating the film formed on the lower electrode as described above. Give rise to the problem of giving.

本発明者らはこのような問題について検討した結果、図4の模式図に示すように、下部電極(Pt)Pt膜(白金結晶粒)中の残留応力による要因と、金属酸化物層を形成する際のTi膜が熱処理(RTA処理)によって拡散する要因が相まって同時に起こることが不具合の原因であることを突き止めた。
ここで、スパッタ法等によりPt膜を成膜する際に、単純にPt膜の成膜温度を上昇させることで残留応力を減少させても、Pt膜の粒径が大きくなってしまい電気−機械変換膜(PZT)の圧電特性が悪化するという問題がある。
As a result of studying such problems, the present inventors have formed a metal oxide layer and a factor due to residual stress in the lower electrode (Pt) Pt film (platinum crystal grains) as shown in the schematic diagram of FIG. It has been found that the cause of the problem is that the Ti film is diffused by the heat treatment (RTA treatment) at the same time.
Here, when the Pt film is formed by sputtering or the like, even if the residual stress is reduced by simply raising the film forming temperature of the Pt film, the particle size of the Pt film becomes large and the electro-mechanical There is a problem that the piezoelectric characteristics of the conversion film (PZT) deteriorate.

これに対し、図5の模式図に示すように、Ti膜を金属酸化物層(TiOx)とする熱処理の前に、下部電極であるPt膜を成膜後に急速加熱処理(RTA処理)を施して残留応力を解放することにより、下部電極上にヒロックが発生するのを防止することができた。このようにヒロックの発生が抑制された下部電極上に金属酸化物層(TiOx)を形成しても電界の局所的集中による耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、また下部電極上部に成膜される構成膜(例えば、絶縁保護膜)などの損傷もなくなることから信頼性が向上する。このような金属酸化物層を有する下部電極上に電気−機械変換膜(PZT)を形成すれば、面方位(100)に優先配向した圧電特性が良好な電気−機械変換素子とすることができる。   On the other hand, as shown in the schematic diagram of FIG. 5, a rapid heating process (RTA process) is performed after the Pt film as the lower electrode is formed before the heat treatment to turn the Ti film into a metal oxide layer (TiOx). By releasing the residual stress, it was possible to prevent hillocks from being generated on the lower electrode. Thus, even if a metal oxide layer (TiOx) is formed on the lower electrode in which the generation of hillocks is suppressed, there is no decrease in breakdown voltage or increase in leakage current due to local concentration of the electric field, and there is no formation on the upper part of the lower electrode. Reliability is improved because damage to a constituent film (for example, an insulating protective film) to be formed is eliminated. If an electro-mechanical conversion film (PZT) is formed on the lower electrode having such a metal oxide layer, an electro-mechanical conversion element having excellent piezoelectric characteristics preferentially oriented in the plane orientation (100) can be obtained. .

前記図2の概略断面図に本発明に係る電気−機械変換素子の構成例を示したが、さらに、図6に、本発明に係る電気−機械変換素子の絶縁保護膜及び引き出し配線を含む構成例を示す。
図6に示す電気−機械変換素子では、下地(振動板)上に、密着層181(a)、第1の電極(下部電極)181、金属酸化物層181(b)、第2の電極(上部電極)182、電気−機械変換膜183が形成されている。
そして、第1の絶縁保護膜184はコンタクトホール189を有しており、第1の電極(下部電極)181と第3の電極185(a)が導通し、第2の電極(上部電極)182と第4の電極185(b)とが導通した構成となっている。このとき、第3の電極185(a)を共通電極、第4の電極185(b)を個別電極として、共通電極、個別電極を保護する第2の絶縁保護膜186が形成され、一部開口されて電極PADとして構成されている。共通電極用に作製されたものを共通電極用PAD188、個別電極用に作製されたものを個別電極用PAD187としている。
以下に、本発明の電気−機械変換素子の各構成材料、工法について具体的に説明する。
The schematic cross-sectional view of FIG. 2 shows an example of the configuration of the electromechanical conversion element according to the present invention. FIG. 6 further includes an insulating protective film and an extraction wiring of the electromechanical conversion element according to the present invention. An example is shown.
In the electromechanical conversion element shown in FIG. 6, an adhesion layer 181 (a), a first electrode (lower electrode) 181, a metal oxide layer 181 (b), a second electrode ( An upper electrode 182 and an electromechanical conversion film 183 are formed.
The first insulating protective film 184 has a contact hole 189, the first electrode (lower electrode) 181 and the third electrode 185 (a) are electrically connected, and the second electrode (upper electrode) 182. And the fourth electrode 185 (b) are electrically connected. At this time, using the third electrode 185 (a) as a common electrode and the fourth electrode 185 (b) as an individual electrode, a second insulating protective film 186 that protects the common electrode and the individual electrode is formed and partially opened. And configured as an electrode PAD. The electrode prepared for the common electrode is referred to as a common electrode PAD 188, and the electrode manufactured for the individual electrode is referred to as an individual electrode PAD 187.
Below, each constituent material and construction method of the electromechanical conversion element of this invention are demonstrated concretely.

〔基板〕
基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100μm〜600μmの厚みを持つことが好ましい[例えば、図2の圧力室基板(Si基板)]。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用した。また、図2に示すような圧力室を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっており本構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。
〔substrate〕
As the substrate, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 μm to 600 μm [for example, the pressure chamber substrate (Si substrate) in FIG. 2]. There are three types of plane orientations, (100), (110), and (111), but (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. A single crystal substrate having a plane orientation of 100) was used. In addition, when a pressure chamber as shown in FIG. 2 is manufactured, a silicon single crystal substrate is processed using etching. In this case, it is common to use anisotropic etching as an etching method. Is.
Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be removed in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. In this configuration, it is possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so this area is also used with attention.

〔振動版〕
図2に示すように電気−機械変換膜によって発生した力を受けて、下地(振動板)が変形変位して、圧力室のインク滴を吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO、SiをCVD法により作製したものが挙げられる。さらに図2に示すような下部電極、電気−機械変換膜の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜としては、一般的に材料としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等であり、これらをスパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては0.1μm〜10μmが好ましく、0.5μm〜3μmがさらに好ましい。膜厚が0.5μmより薄いと図2に示すような圧力室の加工が難しくなり、膜厚が10μmより厚いと下地が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
[Vibration version]
As shown in FIG. 2, upon receiving the force generated by the electro-mechanical conversion film, the base (vibrating plate) is deformed and displaced, and ink droplets in the pressure chamber are ejected. Therefore, it is preferable that the base has a predetermined strength. Examples of the material include Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 produced by the CVD method. Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the lower electrode and the electromechanical conversion film as shown in FIG. In particular, as an electro-mechanical conversion film, lead zirconate titanate (PZT) is generally used as a material, so that a linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K) is 5 A material having a linear expansion coefficient of 10 × 10 −6 to 10 × 10 −6 (1 / K) is preferable, and further has a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 (1 / K). More preferred is the material.
Specific examples of the material include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. It can be produced by a spin coater using a Sol-gel method. The film thickness is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 0.5 μm to 3 μm. If the film thickness is less than 0.5 μm, it is difficult to process the pressure chamber as shown in FIG. 2, and if the film thickness is more than 10 μm, the substrate is difficult to deform and displace, and ink droplet ejection becomes unstable.

〔下部電極〕
下部電極(図6中、第1の電極)としては、高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることが好ましい。前述のように、白金(Pt)を薄膜形成法により成膜して形成され、成膜後に急速加熱処理(RTA処理)される。RTA処理により、下部電極の優先配向面方位(111)に由来するX線回折ピーク位置2θを39.90°〜40.10°の範囲に制御した後に金属酸化物層を形成する。下部電極は振動板上に形成されるが、下部電極と振動板の間に密着層を設けて剥がれ等を抑制するようにするのが望ましい。
Pt膜の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、80nm〜200nmが好ましく、100nm〜150nmが好ましい。膜厚が80nmより薄いと共通電極として十分な電流を供給することが出来なくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。さらに、膜厚が200nmより厚いと白金を使用することからコストアップとなる点や、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、その上に作製する金属酸化物層や電気−機械変換膜(PZT)の表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、インク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Lower electrode]
As the lower electrode (first electrode in FIG. 6), platinum having high heat resistance and low reactivity is preferably used. As described above, platinum (Pt) is formed by a thin film formation method, and rapid heating processing (RTA processing) is performed after the film formation. The metal oxide layer is formed after controlling the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the preferred orientation plane orientation (111) of the lower electrode to a range of 39.90 ° to 40.10 ° by RTA treatment. Although the lower electrode is formed on the diaphragm, it is desirable to provide an adhesion layer between the lower electrode and the diaphragm to suppress peeling and the like.
As a method for producing the Pt film, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. As a film thickness, 80 nm-200 nm are preferable, and 100 nm-150 nm are preferable. If the film thickness is less than 80 nm, a sufficient current cannot be supplied as a common electrode, and a problem occurs when ink is ejected. Furthermore, if the film thickness is thicker than 200 nm, the cost increases due to the use of platinum. When platinum is used as the material, the surface roughness increases as the film thickness increases. This affects the surface roughness and crystal orientation of the metal oxide layer and electro-mechanical conversion film (PZT) to be produced, and causes a problem that sufficient displacement for ink ejection cannot be obtained.

〔密着層〕
密着層は、振動板上に金属膜を形成した後、熱処理(例えば、RTA処理)して金属酸化物からなる膜(結晶膜)とすることで形成することができる。金属としてはチタン(Ti)が好ましく用いられる。
Tiを用いる場合、振動板上にTiをスパッタ法などの薄膜形成法により成膜してチタン層とした後、RTA(Rapid Thermal
Annealing)装置を用いて、酸素(O)雰囲気中で加熱し(例えば、昇温速度10℃/秒以上)、650℃〜800℃の温度で1〜30分間保持してチタン層を熱酸化して酸化チタン(TiOx)層に変換することで密着層が形成される。
酸化チタン層を作成するには反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、RTA装置による酸化の方がチタン酸化膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いRTAによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。またTi以外の材料としてはTa、Ir、Ru等の材料も好ましく用いられる。
密着層の膜厚としては、10nm〜50nmが好ましく、15nm〜30nmがさらに好ましい。膜厚が10nmよりも薄いと密着性が十分に得られないに懸念があり、膜厚が50nmよりも厚いと下部電極の表面粗さが大きくなり電気−機械変換膜との密着性が低下する。これにより、電気−機械変換膜の結晶性に悪影響を及ぼして圧電特性が低下し、インク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Adhesion layer]
The adhesion layer can be formed by forming a metal film on the diaphragm and then heat-treating (for example, RTA treatment) to form a film (crystal film) made of a metal oxide. Titanium (Ti) is preferably used as the metal.
In the case of using Ti, Ti is formed on the diaphragm by a thin film forming method such as sputtering to form a titanium layer, and then RTA (Rapid Thermal).
Annealing equipment is heated in an oxygen (O 2 ) atmosphere (for example, a heating rate of 10 ° C./second or more) and held at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. for 1 to 30 minutes to thermally oxidize the titanium layer. Then, the adhesion layer is formed by converting into a titanium oxide (TiOx) layer.
To form the titanium oxide layer, reactive sputtering may be used, but a thermal oxidation method at a high temperature of the titanium film is desirable. The production by reactive sputtering requires a special sputtering chamber configuration because the silicon substrate needs to be heated at a high temperature. Furthermore, the crystallinity of the titanium oxide film is better in the oxidation by the RTA apparatus than in the oxidation by a general furnace. This is because, according to oxidation in a normal heating furnace, a titanium film that is easily oxidized forms several crystal structures at a low temperature, and thus it is necessary to break it once. Therefore, oxidation by RTA having a high temperature rising rate is advantageous in order to form better crystals. As materials other than Ti, materials such as Ta, Ir, and Ru are also preferably used.
The film thickness of the adhesion layer is preferably 10 nm to 50 nm, and more preferably 15 nm to 30 nm. If the film thickness is less than 10 nm, there is a concern that sufficient adhesion cannot be obtained. If the film thickness is more than 50 nm, the surface roughness of the lower electrode increases and the adhesion with the electromechanical conversion film decreases. . As a result, the crystallinity of the electro-mechanical conversion film is adversely affected, the piezoelectric characteristics are lowered, and a problem that a sufficient displacement for ink ejection cannot be obtained occurs.

〔金属酸化物層〕
金属酸化物層を形成するための材料としてはチタン(Ti)を用いることが好ましい。Ti膜は、例えば、スパッタ法によりの成膜できる。Ti膜を金属酸化物層とするには酸化処理が必要であるが、その方法は前記密着層の作製と同様にRTA装置を用いて実施することができる。例えば、RTA処理された白金膜表面にチタン層を成膜し、650℃〜800℃の温度で1分〜30分、酸素(O)雰囲気で酸化処理し、金属酸化物(TiOx)からなる結晶膜とすることで形成することができる。その理由も密着層の項で述べたものと同様である。成膜される金属酸化物層の膜厚としては5nm〜15nmであることが好ましい。膜厚が5nmより薄いと、PZT(110)/(111)の結晶成長が促進されて圧電定数が低下するためであり、15nmを超えるとPZTの配向がアモルファス状になり配向の制御が難しいためである。
また、スパッタ成膜材料として、Ti以外にもTi/Ir、PbO/TiOx、LNO、PbTiOなどが好ましく用いられる。
[Metal oxide layer]
Titanium (Ti) is preferably used as a material for forming the metal oxide layer. The Ti film can be formed by sputtering, for example. An oxidation treatment is required to make the Ti film a metal oxide layer, but the method can be carried out using an RTA apparatus in the same manner as the production of the adhesion layer. For example, a titanium layer is formed on the surface of a platinum film subjected to RTA treatment, oxidized at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. for 1 minute to 30 minutes in an oxygen (O 2 ) atmosphere, and made of a metal oxide (TiO x). It can be formed by using a crystal film. The reason is the same as that described in the section of the adhesion layer. The thickness of the metal oxide layer to be formed is preferably 5 nm to 15 nm. If the film thickness is less than 5 nm, the crystal growth of PZT (110) / (111) is promoted and the piezoelectric constant decreases, and if it exceeds 15 nm, the PZT orientation becomes amorphous and it is difficult to control the orientation. It is.
In addition to Ti, Ti / Ir, PbO / TiOx, LNO, PbTiO 3 and the like are preferably used as the sputtering film forming material.

〔電気−機械変換膜〕
電気−機械変換膜としては、複合酸化物から構成される材料が挙げられるがジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を主に使用した。
PZTとは、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の割合の場合であり、化学式ではPb(Zr0.53,Ti0.47)Oと表され、一般にPZT(53/47)と示される。
[Electro-mechanical conversion membrane]
Examples of the electro-mechanical conversion film include materials composed of complex oxides, but lead zirconate titanate (PZT) was mainly 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, a composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics is obtained when the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and is expressed as Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 in the chemical formula. It is indicated as PZT (53/47).

電気−機械変換膜の作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。
As a method for producing the electro-mechanical conversion film, 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.
When PZT is produced by the Sol-gel method, PZT precursor solution can be produced 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. . Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.

下地基板全面にPZT膜を形成する場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことでPZT膜が得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。
電気−機械変換膜の膜厚としては0.5μm〜5μmが好ましく、さらに好ましくは1μm〜2μmである。膜厚が0.5μmより薄いと、十分な変位を発生することが出来なくなり、膜厚が5μmより厚いと、何層も積層させていくために工程数が多くなりプロセス時間が長くなる問題がある。
また、電気−機械変換膜の比誘電率としては600以上2000以下になっていることが好ましく、さらに1200以上1600以下になっていることが好ましい。比誘電率が600未満であると、十分な変位特性が得られず、比誘電率が2000を超えると、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する。
When a PZT film is formed on the entire surface of the base substrate, a PZT film can be obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film.
The film thickness of the electromechanical conversion film is preferably 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 μm to 2 μm. If the film thickness is less than 0.5 μm, sufficient displacement cannot be generated, and if the film thickness is more than 5 μm, the number of steps increases due to the lamination of multiple layers, resulting in a problem that the process time becomes long. is there.
The relative dielectric constant of the electromechanical conversion film is preferably 600 or more and 2000 or less, and more preferably 1200 or more and 1600 or less. When the relative dielectric constant is less than 600, sufficient displacement characteristics cannot be obtained, and when the relative dielectric constant exceeds 2000, polarization treatment is not sufficiently performed, and sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving. Such a problem occurs.

〔上部電極〕
上部電極(図6中、第2の電極)としては、金属により構成された金属電極膜、もしくは金属酸化物により構成された金属酸化物電極膜と金属により構成された金属電極膜とが積層構成された電極が好ましい。以下に金属酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について記載する。
(金属酸化物電極膜)
材料としてはSrRuO(SRO)を用いることが好ましい。左記以外にも、Sr(A)(1−x)Ru(1−y)、[A=Ba、Ca、 B=Co、Ni、x、y=0〜0.5]で記述されるような材料についても挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、40nm〜60nmがさらに好ましい。膜厚が20nmより薄いと、初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。膜厚が80nmより厚いと、成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
(金属電極膜)
金属電極膜としては下部電極と同様に白金が好ましく用いられる。必要に応じてイリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜を用いることもできる。
金属電極膜の膜厚としては30nm〜200nmが好ましく50nm〜120nmがさらに好ましい。膜厚が30nmより薄いと、個別電極として十分な電流を供給することが出来なくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。さらに膜厚が200nmより厚いと、白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップとなる点や白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第4電極を作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなる。
[Upper electrode]
As the upper electrode (second electrode in FIG. 6), a metal electrode film made of metal or a metal oxide electrode film made of metal oxide and a metal electrode film made of metal are laminated. The electrode made is preferred. Details of the metal oxide electrode film and the metal electrode film are described below.
(Metal oxide electrode film)
As a material, SrRuO 3 (SRO) is preferably used. Other than the left, Sr x (A) (1-x) Ru y O (1-y) , [A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5] Such materials are also mentioned. The film forming method is produced by sputtering. The film thickness of the SRO film is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 40 nm to 60 nm. If the film thickness is less than 20 nm, sufficient characteristics cannot be obtained for the initial displacement and displacement deterioration characteristics. When the film thickness is greater than 80 nm, the withstand voltage of the deposited PZT is very poor and leaks easily.
(Metal electrode film)
As the metal electrode film, platinum is preferably used like the lower electrode. If necessary, platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and alloy films thereof can be used.
The thickness of the metal electrode film is preferably 30 nm to 200 nm, more preferably 50 nm to 120 nm. When the film thickness is less than 30 nm, it is impossible to supply a sufficient current as the individual electrode, and a problem occurs when ink is ejected. Further, if the film thickness is greater than 200 nm, when using an expensive platinum group element material, the cost increases. When using platinum as the material, the surface roughness increases as the film thickness increases. When the fourth electrode is manufactured through the insulating protective film, process defects such as film peeling are likely to occur.

〔第1の絶縁保護膜〕
図6中に示した第1の絶縁保護膜としては、成膜・エッチングの工程による電気−機械変換素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があり、緻密な無機材料とされるのが好ましい。有機材料では十分な保護性能を得るために膜厚を厚くする必要があることから適さない。絶縁保護膜の膜厚が厚いと、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうために吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまう。
第1の絶縁保護膜として薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物,窒化物,炭化膜を用いるのが好ましいが、絶縁膜の下地となる、電極材料、電気−機械変換膜(PZT)、振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、成膜法も圧電素子を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD法などが例示できるが、使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。好ましい材料としては、Al、ZrO、Y、Ta、TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特にALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制しようとしている。
[First insulating protective film]
As the first insulating protective film shown in FIG. 6, it is necessary to select a material that prevents damage to the electromechanical conversion element due to the film formation / etching process and is difficult to transmit moisture in the atmosphere. A dense inorganic material is preferable. Organic materials are not suitable because it is necessary to increase the film thickness in order to obtain sufficient protection performance. If the insulating protective film is thick, the vibration displacement of the diaphragm is significantly hindered, resulting in a droplet discharge head with low discharge performance.
In order to obtain high protection performance with a thin film as the first insulating protective film, it is preferable to use an oxide, nitride, or carbonized film, but an electrode material, an electro-mechanical conversion film (PZT) serving as a base of the insulating film It is necessary to select a material having high adhesion to the diaphragm material. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the piezoelectric element. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing a plasma to collide with a target material and flying away is not preferable. Examples of a preferable film forming method include a vapor deposition method and an ALD method, but an ALD method with a wide choice of usable materials is preferable. Preferable materials include oxide films used for ceramic materials such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , and TiO 2 . In particular, by using the ALD method, a thin film having a very high film density is produced and damage in the process is suppressed.

第1の絶縁保護膜の膜厚は、電気−機械変換素子の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板の変位を阻害しないように可能な限り薄くする必要がある。前述の好ましい第1の絶縁膜保護の膜厚は20nm〜100nmの範囲である。100nmより厚い場合は、振動板の変位が低下するため、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなる。一方、20nmより薄い場合は圧電素子の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子の性能が前述の通り低下してしまう。
また、第1の絶縁保護膜を2層にする構成も考えられる。この場合は、2層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第2の電極付近において2層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。このとき2層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物,窒化物,炭化物またはこれらの複合化合物を用いることができるが、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることができる。
成膜は任意の手法を用いることができ、CVD法,スパッタリング法が例示でき、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。2層目の絶縁保護膜の膜厚は下部電極と個別電極配線に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち絶縁膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、絶縁膜2の下地の表面性やピンホール等を考慮すると膜厚は200nm以上必要であり、さらに好ましくは500nm以上である。
The film thickness of the first insulating protective film needs to be thin enough to ensure the protection performance of the electromechanical conversion element, and at the same time, it needs to be as thin as possible so as not to hinder the displacement of the diaphragm. . The film thickness of the preferable first insulating film protection is in the range of 20 nm to 100 nm. If it is thicker than 100 nm, the displacement of the diaphragm is reduced, so that a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained. On the other hand, when the thickness is less than 20 nm, the function of the piezoelectric element as a protective layer is insufficient, so that the performance of the piezoelectric element is deteriorated as described above.
A configuration in which the first insulating protective film has two layers is also conceivable. In this case, in order to increase the thickness of the second insulating protective film, a configuration in which the second insulating protective film is opened in the vicinity of the second electrode so as not to significantly impede the vibration displacement of the diaphragm can be cited. At this time, as the second insulating protective film, any oxide, nitride, carbide, or a composite compound thereof can be used, but SiO 2 generally used in semiconductor devices can be used.
Arbitrary methods can be used for the film formation, and a CVD method and a sputtering method can be exemplified, and it is preferable to use a CVD method capable of forming isotropically in consideration of the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion. The thickness of the second insulating protective film needs to be a thickness that does not cause dielectric breakdown by the voltage applied to the lower electrode and the individual electrode wiring. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the insulating film within a range not causing dielectric breakdown. Furthermore, considering the surface properties of the base of the insulating film 2, pinholes, etc., the film thickness needs to be 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more.

〔第3の電極、第4の電極〕
図6中に示した第3の電極及び第4の電極は、それぞれAg合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。第3の電極及び第4の電極の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法等を用いて金属膜を作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
各電極の膜厚としては、0.1μm〜20μmが好ましく、0.2μm〜10μmがさらに好ましい。膜厚が0.1μmより薄いと、抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなって液滴吐出ヘッドの吐出が不安定になり、膜厚が20μmより厚いと、プロセス時間が長くなるという問題がある。
また、共通電極、個別電極としてコンタクトホール部(10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極としては10Ω以下、個別電極としては1Ω以下が好ましく、さらに好ましくは、共通電極としては5Ω以下、個別電極としては0.5Ω以下である。接触抵抗が共通電極として10Ωを超え、個別電極としては1Ωを超えると十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出ヘッドからのインク吐出時に不具合が発生する。
[Third electrode, fourth electrode]
The third electrode and the fourth electrode shown in FIG. 6 are each preferably a metal electrode material made of Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, or Ir. As a method for manufacturing the third electrode and the fourth electrode, a metal film is manufactured using a sputtering method, a spin coating method, or the like, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.
The film thickness of each electrode is preferably 0.1 μm to 20 μm, more preferably 0.2 μm to 10 μm. If the film thickness is less than 0.1 μm, the resistance increases and it becomes impossible to pass a sufficient current through the electrode, and the discharge of the droplet discharge head becomes unstable. If the film thickness is more than 20 μm, the process time is long. There is a problem of becoming.
Further, the contact resistance at the contact hole portion (10 μm × 10 μm) as the common electrode and the individual electrode is preferably 10Ω or less as the common electrode, 1Ω or less as the individual electrode, and more preferably 5Ω or less as the common electrode. The electrode is 0.5Ω or less. If the contact resistance exceeds 10Ω for the common electrode and 1Ω for the individual electrode, a sufficient current cannot be supplied, and a problem occurs when ink is ejected from the droplet ejection head.

〔第2の絶縁保護膜〕
図6中に示した第2の絶縁保護膜としての機能は個別電極配線や共通電極配線の保護層の機能を有するパシベーション層である。図6に示す通り、第2の絶縁保護膜は、個別電極引き出し部と図示しないが共通電極引き出し部を除き、個別電極と共通電極上を被覆する。これにより電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッドとすることができる。
第2の絶縁保護膜の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、後述のパターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。
[Second insulating protective film]
The function as the second insulating protective film shown in FIG. 6 is a passivation layer having the function of a protective layer for individual electrode wiring and common electrode wiring. As shown in FIG. 6, the second insulating protective film covers the individual electrode and the common electrode except for the individual electrode lead portion and the common electrode lead portion (not shown). This makes it possible to use inexpensive Al or an alloy material mainly composed of Al as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable droplet discharge head can be obtained.
As the material of the second insulating protective film, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, in the case of an organic material, it is necessary to form a thick film, which is not suitable for patterning described later. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a proven technology for semiconductor devices.

また、第2の絶縁保護膜の膜厚は200nm以上とすることが必要であり、さらに好ましくは500nm以上である。膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できないため、配線材料の腐食による断線が発生して液滴吐出ヘッドからの安定したインク吐出ができなくなりインクジェットの信頼性を低下させてしまう。
また、電気−機械変換素子上とその周囲の振動板上に開口部をもつ構造が好ましい。これは、前述の第1の絶縁保護膜の個別液室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッドとすることが可能になる。
The thickness of the second insulating protective film needs to be 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more. When the film thickness is small, a sufficient passivation function cannot be exhibited, so that disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and stable ink discharge from the droplet discharge head cannot be performed, and the reliability of the ink jet is lowered.
A structure having openings on the electromechanical conversion element and on the surrounding diaphragm is preferable. This is the same reason that the individual liquid chamber region of the first insulating protective film is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

第1の絶縁保護膜及び第2の絶縁保護膜で電気−機械変換素子が保護されているため、開口部分の形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが可能である。また、PAD部の面積については、50×50μm以上になっていることが好ましく、さらに100×300μm以上になっていることが好ましい。この値に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなり、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する。 Since the electromechanical conversion element is protected by the first insulating protective film and the second insulating protective film, photolithography and dry etching can be used to form the opening. In addition, the area of the PAD part is preferably 50 × 50 μm 2 or more, and more preferably 100 × 300 μm 2 or more. If the value is less than this value, sufficient polarization processing cannot be performed, and there arises a problem that sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving.

前述のように、振動板/密着層(TiOx)/下部電極(Pt)/金属酸化物層(TiOx)/電気−機械変換膜(PZT)/上部電極(SRO層・Pt層)から構成される電気−機械変換素子は、圧電性が高く、例えば、図7に示すようなP−Eヒステリシス曲線を示す。
なお、前述のような構成で作製された電気−機械変換素子はコロナ放電により発生した電荷の注入により分極処理することが好ましい。分極処理の状態については、P−Eヒステリシス曲線から判断することができる。
分極処理された電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけたときのP−Eヒステリシスにおいて、最大分極Pm値が30μC/cm以上40μC/cm以下であることが好ましい。
また図8に示すように±150kV/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の0kV/cm時の分極をPini、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPrとしたときに、Pr−Piniの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断することができる。
ここで分極率Pr−Piniが、6.0μC/cm以下であることが好ましく、3.0μC/cm以下であることがさらに好ましい。分極率Pr−Piniが6.0μC/cmを超えると、PZTの電気−機械変換膜として連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。
As described above, it is composed of diaphragm / adhesion layer (TiOx) / lower electrode (Pt) / metal oxide layer (TiOx) / electro-mechanical conversion film (PZT) / upper electrode (SRO layer / Pt layer). The electromechanical conversion element has high piezoelectricity and exhibits, for example, a PE hysteresis curve as shown in FIG.
In addition, it is preferable that the electromechanical conversion element manufactured with the above-mentioned structure is polarized by injection of electric charges generated by corona discharge. The state of the polarization treatment can be determined from the PE hysteresis curve.
Polarized electrical - in P-E hysteresis when applying an electric field strength of ± 150 kV / cm in the transducer, it is preferable maximum polarization Pm value is 30 .mu.C / cm 2 or more 40 .mu.C / cm 2 or less.
Further, as shown in FIG. 8, a hysteresis loop is measured with an electric field strength of ± 150 kV / cm, and the polarization at the time of the first 0 kV / cm is Pini, 0 kV / cm when the voltage is returned to 0 kV / cm after applying +150 kV / cm. When the polarization at cm is Pr, the value of Pr−Pini is defined as the polarizability, and the quality of the polarization state can be judged from this polarizability.
Here polarizability Pr-Pini is preferably at 6.0μC / cm 2 or less, and more preferably 3.0μC / cm 2 or less. When the polarizability Pr-Pini exceeds 6.0 μC / cm 2 , sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving as an electro-mechanical conversion film of PZT.

本発明の液滴吐出ヘッドは、前述の電気−機械変換素子を備えたことを特徴とするものである。すなわち、複数のノズル開口と、各ノズル開口に連通する加圧液室を有する流路形成基板と、加圧液室の一面を形成する振動板とを有し、振動板上に電気−機械変換素子が設けられており、電気−機械変換素子は、振動板上に、下部電極、電気−機械変換膜、上部電極が設けられて構成される。
本発明の電気−機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッドを構成すれば、セラミック焼結体と同等の駆動力によりインク滴吐出特性を保持でき、連続吐出しても安定したインク滴吐出特性を維持することができる。
The droplet discharge head of the present invention is characterized by including the above-described electro-mechanical conversion element. That is, it has a plurality of nozzle openings, a flow path forming substrate having a pressurized liquid chamber communicating with each nozzle opening, and a diaphragm that forms one surface of the pressurized liquid chamber, and electro-mechanical conversion on the diaphragm An element is provided, and the electro-mechanical conversion element is configured by providing a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, and an upper electrode on a vibration plate.
If the droplet discharge head is configured using the electromechanical conversion element of the present invention, the ink droplet discharge characteristics can be maintained with the same driving force as that of the ceramic sintered body, and stable ink droplet discharge characteristics can be obtained even when continuously discharged. Can be maintained.

本発明の液滴吐出ヘッドを備えることにより、インクカートリッジを構成することができる。図9に、図2に記載した液滴吐出ヘッド構成を複数個配置したものを示す。
本発明によれば、バルクセラミックスと同等の性能を持つ電気−機械変換素子が形成でき、その後の圧力室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滴吐出ヘッドができる。図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。図9において、符号901は圧力室、902はノズル、903はノズル板、904は圧力室基板(Si基板)、905は振動板、906は密着層、907は電気−機械変換素子を示す。
本発明の液滴吐出ヘッドを用いれば、吐出安定性、耐久性、および画像品質が良好であるため、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等の画像形成装置に応用できる。
By including the droplet discharge head of the present invention, an ink cartridge can be configured. FIG. 9 shows a configuration in which a plurality of droplet discharge head configurations shown in FIG. 2 are arranged.
According to the present invention, an electro-mechanical conversion element having performance equivalent to that of bulk ceramics can be formed, and then etching is removed from the back surface for forming a pressure chamber, and a droplet is obtained by joining a nozzle plate having nozzle holes. A discharge head is formed. In the figure, descriptions of liquid supply means, flow paths, and fluid resistance are omitted. In FIG. 9, reference numeral 901 is a pressure chamber, 902 is a nozzle, 903 is a nozzle plate, 904 is a pressure chamber substrate (Si substrate), 905 is a vibration plate, 906 is an adhesion layer, and 907 is an electro-mechanical conversion element.
If the droplet discharge head of the present invention is used, the discharge stability, durability, and image quality are good, so that it can be applied to image forming apparatuses such as printers and MFPs used in offices and personal computers.

本発明の液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成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11は同画像形成装置の機構部の側面説明図である。   An example of an image forming apparatus equipped with the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 is a perspective view of the recording apparatus, and FIG. 11 is a side view of a mechanism portion of the image forming apparatus.

図10及び図11に示す画像形成装置は、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93、キャリッジ93に搭載した本発明を実施した液滴吐出ヘッド94、この液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納し、記録装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(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 image forming apparatus shown in FIGS. 10 and 11 includes a carriage 93 movable in the main scanning direction inside a recording apparatus main body 81, a droplet discharge head 94 embodying the present invention mounted on the carriage 93, and the droplet discharge head. A paper feed cassette (or a paper feed cassette) that accommodates a number of sheets 83 from the front side in the lower part of the recording apparatus main body 81 is stored. 84 may be detachably mounted, and the manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be unfolded and fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85. The sheet 83 is taken in, a required image is recorded by the printing mechanism unit 82, and then discharged to a 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の液滴吐出ヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ93には液滴吐出ヘッド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 droplet discharge head 94 of the present invention that discharges ink droplets of each color (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) crosses a plurality of ink discharge ports (nozzles) with the main scanning direction. The ink droplets are mounted with the ink droplet discharge direction facing downward. In addition, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the droplet discharge 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、下方には液滴吐出ヘッド94に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滴吐出ヘッド94へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の液滴吐出ヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個の液滴吐出ヘッドでもよい。   The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the droplet discharge head 94 below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the droplet discharge head 94 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force. Further, although the droplet discharge heads 94 for the respective colors are used here as the recording heads, a single droplet discharge head having nozzles for discharging the ink droplets of the respective colors may be used.

ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. The carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83を液滴吐出ヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the droplet discharge head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84, and the paper 83 A guide member 103 that guides the sheet 83, a conveyance roller 104 that conveys the fed sheet 83 in a reversed manner, a conveyance roller 105 that is pressed against the circumferential surface of the conveyance roller 104, and a feed angle of the sheet 83 from the conveyance roller 104. A leading end roller 106 is provided. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液滴吐出ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a sheet guide member for guiding the sheet 83 fed from the conveying roller 104 below the droplet discharge 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液滴吐出ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   During recording, the droplet discharge head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped paper 83 to record one line, and transporting the paper 83 by a predetermined amount. After that, the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. While waiting for printing, the carriage 93 is moved to the recovery device 117 side and the droplet discharge head 94 is capped by the capping unit, and the discharge port portion is kept in a wet state to prevent discharge 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液滴吐出ヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When ejection failure occurs, the capping means seals the ejection port (nozzle) of the droplet ejection head 94, sucks out bubbles and the like from the ejection port with the suction means through the tube, and adheres to the ejection port surface. The dust and the like are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、本発明の画像形成装置においては、本発明の電気−機械変換素子を用いて作製した液滴吐出ヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, in the image forming apparatus of the present invention, since the liquid droplet ejection head manufactured using the electro-mechanical conversion element of the present invention is mounted, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and stability. Ink droplet ejection characteristics can be obtained and image quality is improved.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.

[実施例1〜2、比較例1〜3]
6インチシリコンウェハ(Si基板)に熱酸化膜(膜厚1μm)を形成して振動板を構成した。次いで、振動板上に密着層を形成した。密着層は、Si基板の振動板上にチタン(Ti)をスパッタ装置にて成膜(膜厚50nm)した後に、RTA装置を用いて730℃にて熱酸化して酸化チタン(TiOx)としたものである。引き続き、密着層上に下部電極形成のため、まず白金膜をスパッタ法により成膜(膜厚160nm)した。スパッタ成膜時のSi基板加熱温度は300℃に維持して成膜を実施した。形成された白金膜を、速度10℃/秒以上で昇温加熱し、下記所定温度で3分間、急速加熱処理(RTA処理)した。表1の比較例3にRTA処理を施さない例を示した。
表1(比較例1)に記載のRTA処理温度:570℃
表1(比較例2)に記載のRTA処理温度:650℃
表1(実施例1)に記載のRTA処理温度:730℃
表1(実施例2)に記載のRTA処理温度:810℃
表1(比較例3)RTA処理無し
なお、比較例と実施例の区分けは、PZTの面方位(100)の配向率が70%以上であり、かつ面方位(200)と面方位(002)の比[(200)/(002)]におけるロッキングカーブ半値幅が10°以下であるか否かを含めて判断したものである。
RTA処理された白金膜表面に金属酸化物層を形成するため、スパッタ装置によりチタン層を成膜し、RTA装置を用いて730℃で熱酸化処理して金属酸化物層(TiOx)とした。金属酸化物層の膜厚は10nmであった。図12示すフローチャートに準じて、密着層の形成、下部電極の形成、金属酸化物層の形成を逐次行った。図12のフローチャートに準じて形成された金属酸化物層を表面に有する白金膜(実施例1)について原子間力顕微鏡(AFM)で観察した像を図13示す。図13(a)はタッピングモードであり、(b)はPMモードである。
次に、金属酸化物層を有する下部電極上にPZTからなる電気−機械変換膜を形成した。すなわち、Pb:Zr:Ti=114:53:47に調整された溶液(前駆体塗布液)を準備し、この溶液を、金属酸化物層を有する下部電極上にスピンコート法により塗布して成膜した。
[Examples 1-2, Comparative Examples 1-3]
A thermal oxide film (film thickness: 1 μm) was formed on a 6 inch silicon wafer (Si substrate) to constitute a diaphragm. Next, an adhesion layer was formed on the diaphragm. The adhesion layer was formed by depositing titanium (Ti) on the vibration plate of the Si substrate with a sputtering apparatus (film thickness: 50 nm) and then thermally oxidizing at 730 ° C. using an RTA apparatus to form titanium oxide (TiOx). Is. Subsequently, in order to form a lower electrode on the adhesion layer, a platinum film (film thickness 160 nm) was first formed by sputtering. Film formation was performed while maintaining the Si substrate heating temperature at 300 ° C. during sputtering film formation. The formed platinum film was heated at a rate of 10 ° C./second or more, and then subjected to rapid heating treatment (RTA treatment) at the following predetermined temperature for 3 minutes. An example in which the RTA treatment is not performed is shown in Comparative Example 3 of Table 1.
RTA treatment temperature described in Table 1 (Comparative Example 1): 570 ° C
RTA treatment temperature described in Table 1 (Comparative Example 2): 650 ° C
RTA treatment temperature described in Table 1 (Example 1): 730 ° C
RTA treatment temperature described in Table 1 (Example 2): 810 ° C
Table 1 (Comparative Example 3) No RTA treatment Note that the comparative example and the example are classified as follows: the orientation ratio of the PZT plane orientation (100) is 70% or more, and the plane orientation (200) and plane orientation (002). It is judged including whether or not the rocking curve half-value width in the ratio [(200) / (002)] is 10 ° or less.
In order to form a metal oxide layer on the surface of the platinum film subjected to RTA treatment, a titanium layer was formed by a sputtering apparatus, and was thermally oxidized at 730 ° C. using an RTA apparatus to form a metal oxide layer (TiOx). The thickness of the metal oxide layer was 10 nm. According to the flowchart shown in FIG. 12, the formation of the adhesion layer, the formation of the lower electrode, and the formation of the metal oxide layer were sequentially performed. FIG. 13 shows an image of a platinum film (Example 1) having a metal oxide layer formed on the surface according to the flowchart of FIG. 12 and observed with an atomic force microscope (AFM). FIG. 13A shows the tapping mode, and FIG. 13B shows the PM mode.
Next, an electro-mechanical conversion film made of PZT was formed on the lower electrode having the metal oxide layer. That is, a solution (precursor coating solution) adjusted to Pb: Zr: Ti = 114: 53: 47 was prepared, and this solution was applied onto the lower electrode having the metal oxide layer by spin coating. Filmed.

具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/lにした。この液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、120℃(乾燥)から500℃に加熱して熱分解を行った。3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度750℃)をRTA(急速熱処理)にて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回(24層)実施し、膜厚約2μmのPZTを得た。   For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.5 mol / l. Using this liquid, a film was formed by spin coating, and after the film formation, thermal decomposition was performed by heating from 120 ° C. (dry) to 500 ° C. After thermal decomposition treatment of the third layer, crystallization heat treatment (temperature: 750 ° C.) was performed by RTA (rapid heat treatment). At this time, the film thickness of PZT was 240 nm. This process was performed a total of 8 times (24 layers) to obtain PZT having a film thickness of about 2 μm.

電気−機械変換膜(PZT)上にSRO膜(膜厚:20nm)と白金膜(膜厚:125nm)を順次スパッタ法により成膜して上部電極(第2の電極)を形成し、実施例1〜2、比較例1〜3の電気−機械変換素子を作製した。   An SRO film (film thickness: 20 nm) and a platinum film (film thickness: 125 nm) are sequentially formed on an electro-mechanical conversion film (PZT) by sputtering to form an upper electrode (second electrode). The electromechanical conversion elements of 1-2 and Comparative Examples 1-3 were produced.

上記条件で形成した実施例1〜2、比較例1〜3の電気−機械変換素子の処理条件と白金膜(Pt)の状態、PZTの結晶性について表1に示す。具体的には、白金膜(Pt)の成膜温度、Pt(111)成膜後のX線回折ピーク位置2θ、成膜後のRTA処理温度、同処理時間、RTA処理後のPt(111)のX線回折ピーク位置2θ、金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRz、PZT(100)の配向率、同ピーク強度、同(200)/(002)におけるロッキングカーブ(RC)半値幅について表1に示す。   Table 1 shows the processing conditions, the platinum film (Pt) state, and the PZT crystallinity of the electromechanical transducers of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 formed under the above conditions. Specifically, the deposition temperature of the platinum film (Pt), the X-ray diffraction peak position 2θ after the deposition of Pt (111), the RTA treatment temperature after the deposition, the same treatment time, and the Pt (111) after the RTA treatment X-ray diffraction peak position 2θ, surface roughness Rz of lower electrode having metal oxide layer, orientation ratio of PZT (100), peak intensity, rocking curve (RC) half width at (200) / (002) Is shown in Table 1.

表1に示すように、本発明の実施例1及び実施例2はいずれも、下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θは39.90°〜40.10°の範囲であり、また、前記電気−機械変換膜(PZT)の面方位(100)の配向率は70%以上であり、かつ(200)/(002)におけるロッキングカーブ半値幅も10°以下である。
例えば、図14に実施例のRTA処理前後でのXRDピーク位置2θの変化を示す。図14に示すように、RTA処理前にピーク位置2θが39.82であったものが、RTA処理後には約40にシフトしている。これは白金膜内の残留応力が解放されていることを示している。すなわち、白金膜内の残留応力が解放されることによって、金属酸化物層形成(チタン層の酸化処理)時に、ヒロックの発生を防ぐことができ、金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRzは24nm〜27nm程度に収まっている。そして、PZTの結晶性低下はなく優れた圧電特性を保持することが確認された。
比較例1,2の場合にもRTA処理前後でのXRDピーク位置2θの変化はみられるが、(200)/(002)におけるロッキングカーブ(RC)半値幅が10°を超え、PZTの結晶性が低下して圧電特性が低下した。
比較例3は残留応力が解放されずヒロックの発生は防げなかった。
上記のように、RTA処理温度を570℃〜810℃まで変化させた結果、特に730℃〜810℃において良好な面方位(100)の結晶性を持つPZT(電気−機械変換膜)が得られた。
実施例1、2はいずれも白金膜のヒロックの発生が抑制され、電界の局所的集中による耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、PZTの面方位が(100)に優先配向した圧電特性の優れた電気−機械変換素子が提供された。
As shown in Table 1, in both Example 1 and Example 2 of the present invention, the preferential orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the (111) plane is It is in the range of 39.90 ° to 40.10 °, and the orientation ratio of the plane orientation (100) of the electro-mechanical conversion film (PZT) is 70% or more, and at (200) / (002) The full width at half maximum of the rocking curve is 10 ° or less.
For example, FIG. 14 shows changes in the XRD peak position 2θ before and after the RTA process of the example. As shown in FIG. 14, the peak position 2θ of 39.82 before the RTA process is shifted to about 40 after the RTA process. This indicates that the residual stress in the platinum film is released. That is, when the residual stress in the platinum film is released, the generation of hillocks can be prevented during formation of the metal oxide layer (oxidation treatment of the titanium layer), and the surface roughness of the lower electrode having the metal oxide layer Rz is in the range of about 24 nm to 27 nm. And it was confirmed that there was no crystallinity fall of PZT and the outstanding piezoelectric characteristic was hold | maintained.
In Comparative Examples 1 and 2, the XRD peak position 2θ before and after the RTA treatment is changed, but the rocking curve (RC) half-width at (200) / (002) exceeds 10 °, and the crystallinity of PZT As a result, the piezoelectric characteristics deteriorated.
In Comparative Example 3, the residual stress was not released and the generation of hillocks could not be prevented.
As described above, as a result of changing the RTA treatment temperature from 570 ° C. to 810 ° C., PZT (electro-mechanical conversion film) having excellent crystallinity of (100) plane orientation is obtained particularly at 730 ° C. to 810 ° C. It was.
In each of Examples 1 and 2, the generation of hillocks in the platinum film is suppressed, there is no decrease in pressure resistance or increase in leakage current due to local concentration of electric field, and the PZT plane orientation is preferentially oriented to (100). An excellent electromechanical conversion element was provided.

[実施例3〜5、比較例4〜5]
実施例1の構成において、金属酸化物層の膜厚を下記のように変化させた以外は実施例1と同様にして実施例3〜実施例5、比較例4〜比較例5の電気−機械変換素子を作製した。
表2(比較例4)に記載の金属酸化物層の膜厚:5.8nm
表2(実施例3)に記載の金属酸化物層の膜厚:8.0nm
表2(実施例4)に記載の金属酸化物層の膜厚:10.2nm
表2(実施例5)に記載の金属酸化物層の膜厚:12.2nm
表2(比較例5)に記載の金属酸化物層の膜厚:14.1nm
[Examples 3-5, Comparative Examples 4-5]
In the configuration of Example 1, the electromechanical devices of Examples 3 to 5 and Comparative Examples 4 to 5 were the same as Example 1 except that the film thickness of the metal oxide layer was changed as follows. A conversion element was produced.
Film thickness of the metal oxide layer described in Table 2 (Comparative Example 4): 5.8 nm
Film thickness of metal oxide layer described in Table 2 (Example 3): 8.0 nm
Film thickness of the metal oxide layer described in Table 2 (Example 4): 10.2 nm
Film thickness of metal oxide layer described in Table 2 (Example 5): 12.2 nm
Film thickness of the metal oxide layer described in Table 2 (Comparative Example 5): 14.1 nm

上記条件で形成した実施例実施例3〜5、比較例4〜5の電気−機械変換素子の白金膜(Pt)の成膜温度、金属酸化物層(TiOx)の膜厚、金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRz、PZT(100)の配向率、同ピーク強度、同(200)/(002)におけるロッキングカーブ(RC)半値幅について表2に示す。   Example 3-5 formed under the above conditions, the film formation temperature of the platinum film (Pt) of the electromechanical conversion element of Comparative Examples 4-5, the film thickness of the metal oxide layer (TiOx), the metal oxide layer Table 2 shows the surface roughness Rz, the orientation ratio of PZT (100), the peak intensity, and the rocking curve (RC) half width at the same (200) / (002).

表2において、比較例4はPZT(100)の配向率が70%未満(50.7%)であるため、優れた圧電特性が得られなかった。
比較例5は[(200)/(002)]におけるロッキングカーブ半値幅が10°を超え、PZTの結晶性が低下して圧電特性が低下した。
本発明の実施例3〜実施例5はいずれも、下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θは39.90°〜40.10°の範囲であり、また、前記電気−機械変換膜(PZT)の面方位(100)の配向率は70%以上であり、かつ(200)/(002)におけるロッキングカーブ半値幅も10°以下である。ただし、実施例3は金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRzがやや大きいが、いわゆる下部電極の残留応力に伴うヒロックと異なり、PZTの結晶性低下は限定的であった。実施例4、実施例5はPZTの結晶性低下はなかった。すなわち、金属酸化物層(TiOx)の膜厚が10.2nm〜12.2nmにおいて良好なPZT(100)の結晶性を持つ電気−機械変換膜が得られた。
金属酸化物層の膜厚としては、各種実験から総合的に5nm〜15nm程度の範囲が好ましいと判断される。
実施例3〜実施例5いずれも白金膜のヒロックの発生が抑制され、電界の局所的集中による耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、PZTの面方位が(100)に優先配向した圧電特性の優れた電気−機械変換素子が提供された。
In Table 2, since the orientation rate of PZT (100) was less than 70% (50.7%) in Comparative Example 4, excellent piezoelectric characteristics could not be obtained.
In Comparative Example 5, the full width at half maximum of the rocking curve in [(200) / (002)] exceeded 10 °, the crystallinity of PZT was lowered, and the piezoelectric characteristics were lowered.
In all of Examples 3 to 5 of the present invention, the preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the (111) plane is 39.90 ° to 40.40. Further, the orientation ratio of the plane orientation (100) of the electro-mechanical conversion film (PZT) is 70% or more, and the rocking curve half width at (200) / (002) is also 10 °. It is as follows. However, in Example 3, the surface roughness Rz of the lower electrode having the metal oxide layer was slightly large, but unlike the hillock accompanying the residual stress of the so-called lower electrode, the crystallinity degradation of PZT was limited. In Examples 4 and 5, there was no decrease in the crystallinity of PZT. That is, an electromechanical conversion film having good PZT (100) crystallinity was obtained when the thickness of the metal oxide layer (TiOx) was 10.2 nm to 12.2 nm.
As a film thickness of the metal oxide layer, it is judged that a range of about 5 nm to 15 nm is preferable comprehensively from various experiments.
In all of Examples 3 to 5, the generation of hillocks in the platinum film is suppressed, there is no decrease in pressure resistance due to local concentration of the electric field, and there is no increase in leakage current, and the PZT plane orientation is preferentially oriented to (100). An electromechanical transducer having excellent characteristics has been provided.

[比較例6〜8]
実施例1の構成において、白金膜を形成する際のスパッタ成膜時のSi基板加熱温度(Pt成膜温度)を下記のようにしてPt膜を形成し、RTA処理を施さなかった以外は実施例1と同様にして比較例6〜比較例8の電気−機械変換素子を作製した。
表3(比較例6)に記載のPt成膜温度:300℃
表3(比較例7)に記載のPt成膜温度:400℃
表3(比較例8)に記載のPt成膜温度:500℃
[Comparative Examples 6-8]
In the configuration of Example 1, the Si substrate heating temperature (Pt film formation temperature) at the time of sputtering film formation when forming the platinum film was as follows, except that the Pt film was formed and the RTA treatment was not performed. In the same manner as in Example 1, the electromechanical conversion elements of Comparative Examples 6 to 8 were produced.
Pt deposition temperature described in Table 3 (Comparative Example 6): 300 ° C
Pt deposition temperature described in Table 3 (Comparative Example 7): 400 ° C
Pt deposition temperature described in Table 3 (Comparative Example 8): 500 ° C

上記条件で形成した比較例6〜8の電気−機械変換素子の白金膜(Pt)の成膜温度、
Pt成膜直後の白金膜のピーク位置、同ピーク強度、Pt粒径、金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRz、PZT(100)の配向率、同ピーク強度、同(200)/(002)におけるロッキングカーブ(RC)半値幅について表3に記載する。
Film formation temperature of the platinum film (Pt) of the electromechanical conversion elements of Comparative Examples 6 to 8 formed under the above conditions,
The peak position, the same peak intensity, the Pt particle size, the surface roughness Rz of the lower electrode having the metal oxide layer, the orientation ratio of PZT (100), the same peak intensity, the same (200) / The rocking curve (RC) half width at (002) is shown in Table 3.

比較例6、7はいずれもヒロック(図1参照)が発生し、耐圧性の低下やリーク電流の増加に問題を生じた。また、ヒロックの発生に伴って、PZTの圧電特性が低下した。
比較例8のPt成膜温度が500℃ではヒロックが発生しなかったが、Ptの粒径が増大してPt(111)が増加するため、PZT(100)の結晶性が低下し圧電特性が低下した。
In each of Comparative Examples 6 and 7, hillocks (see FIG. 1) occurred, which caused problems with a decrease in pressure resistance and an increase in leakage current. In addition, with the generation of hillocks, the piezoelectric properties of PZT deteriorated.
Although no hillock occurred when the Pt film formation temperature of Comparative Example 8 was 500 ° C., the crystallinity of PZT (100) was lowered and the piezoelectric characteristics were reduced because the Pt particle size increased and Pt (111) increased. Declined.

すなわち、本発明の電気−機械変換素子は金属酸化物層の形成時に酸化処理が施されても下部電極上でのヒロックの発生が抑制され、耐圧性の低下やリーク電流の増加がなく、圧電特性が優れている。このため、セラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持し、電気−機械変換膜の変位量がインク吐出特性を良好に保持できるだけ十分確保されると共に、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等の画像形成装置に応用できるほか、三次元造型技術などへの応用も可能である。
That is, the electromechanical conversion element of the present invention suppresses generation of hillocks on the lower electrode even when an oxidation treatment is performed at the time of forming the metal oxide layer, and does not cause a decrease in pressure resistance or an increase in leakage current. Excellent characteristics. For this reason, the characteristics (piezoelectric constant) equivalent to those of the ceramic sintered body are maintained, and the displacement of the electro-mechanical conversion film is sufficiently ensured to maintain the ink ejection characteristics satisfactorily. Deterioration is sufficiently suppressed, and stable ink ejection characteristics can be obtained.
If a droplet discharge head is configured using such an electro-mechanical conversion element, it has excellent discharge stability and durability, so that it can be applied to office, personal printers, MFPs, and other image forming apparatuses. Application to three-dimensional molding technology is also possible.

(図2の符号)
101 圧力室
102 ノズル
103 ノズル板
104 圧力室基板(Si基板)
105 下地(振動板)
106 下部電極
107 電気−機械変換膜
108 上部電極
109 電気−機械変換素子
(図3の符号)
401 基板
402 振動板
403(a) 密着層
403 下部電極
403(b) 金属酸化物層
404 電機−機械変換膜
405 上部電極
(図6の符号)
181 第1の電極(下部電極)
181(a) 密着層
181(b) 金属酸化物層
182 第2の電極(上部電極)
183 電気−機械変換膜
184 第1の絶縁保護膜
185(a)、(b) 第3、4の電極
186 第2の絶縁保護膜
187 個別電極PAD
188 共通電極PAD
189 コンタクトホール
(図9の符号)
901 圧力室
902 ノズル
903 ノズル板
904 圧力室基板(Si基板)
905 振動板
906 密着層
907 電気−機械変換素子
(図10、図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 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. 2)
101 Pressure chamber 102 Nozzle 103 Nozzle plate 104 Pressure chamber substrate (Si substrate)
105 Ground (diaphragm)
106 Lower electrode 107 Electro-mechanical conversion film 108 Upper electrode 109 Electro-mechanical conversion element (reference numeral in FIG. 3)
401 Substrate 402 Diaphragm 403 (a) Adhesion layer 403 Lower electrode 403 (b) Metal oxide layer 404 Electric-mechanical conversion film 405 Upper electrode (reference numeral in FIG. 6)
181 First electrode (lower electrode)
181 (a) Adhesion layer 181 (b) Metal oxide layer 182 Second electrode (upper electrode)
183 Electro-mechanical conversion film 184 First insulating protective film 185 (a), (b) Third and fourth electrodes 186 Second insulating protective film 187 Individual electrode PAD
188 Common electrode PAD
189 Contact hole (reference numeral in FIG. 9)
901 Pressure chamber 902 Nozzle 903 Nozzle plate 904 Pressure chamber substrate (Si substrate)
905 Diaphragm 906 Adhesion layer 907 Electro-mechanical conversion element (reference numerals in FIGS. 10 and 11)
81 Recording Device Body 82 Printing Mechanism Unit 83 Paper 84 Paper Feed Cassette 85 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 Paper 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

特許第4543545号公報Japanese Patent No. 4543545 特開平11−191646号公報JP 11-191646 A 特開2008−244201号公報JP 2008-244201 A 特許第4530615号公報Japanese Patent No. 4530615 特許第3841279号公報Japanese Patent No. 3842279 特許第4207167号公報Japanese Patent No. 4207167 特許第3541877号公報Japanese Patent No. 3541877 特開2006−287161号公報JP 2006-287161 A 特開2003−45873号公報JP 2003-45873 A 特開平11−45984号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-45984 特開2008−227115号公報JP 2008-227115 A 特許第3892424号公報Japanese Patent No. 3892424 特許第5179714号公報Japanese Patent No. 5179714 特開2012−15505号公報JP 2012-15505 A 特開2011−238774号公報JP 2011-238774 A

Claims (11)

振動板上に、下部電極と、電気−機械変換膜と、上部電極とを備え、前記下部電極上に金属酸化物層を有する電気−機械変換素子であって、
前記下部電極は成膜後に急速加熱処理が施された白金膜からなり、該下部電極の優先配向面方位が(111)であり、その(111)面に由来するX線回折ピーク位置2θが39.90°〜40.10°の範囲であると共に、
前記電気−機械変換膜がPZTからなり、該PZTの面方位(100)の配向率が70%以上であり、かつPZTの面方位(200)/(002)におけるロッキングカーブの半値幅が10°以下であることを特徴とする電気−機械変換素子。
An electro-mechanical conversion element comprising a lower electrode, an electro-mechanical conversion film, and an upper electrode on the diaphragm, and having a metal oxide layer on the lower electrode,
The lower electrode is made of a platinum film that has been subjected to rapid heat treatment after film formation, and the preferred orientation plane orientation of the lower electrode is (111), and the X-ray diffraction peak position 2θ derived from the (111) plane is 39. In the range of 90 ° to 40.10 °,
The electro-mechanical conversion film is made of PZT, the orientation ratio of the plane orientation (100) of the PZT is 70% or more, and the half width of the rocking curve in the plane orientation (200) / (002) of the PZT is 10 °. An electro-mechanical conversion element characterized by the following.
前記金属酸化物層を有する下部電極の表面粗さRzが、50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。   2. The electromechanical conversion element according to claim 1, wherein the lower electrode having the metal oxide layer has a surface roughness Rz of 50 nm or less. 前記金属酸化物層が、構成成分としてチタンを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の電気−機械変換素子。   The electromechanical conversion element according to claim 1, wherein the metal oxide layer contains titanium as a constituent component. 前記金属酸化物層の膜厚が、5nm〜15nmであ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電気−機械変換素子。   The electro-mechanical transducer according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal oxide layer has a thickness of 5 nm to 15 nm. 前記金属酸化物層が、成膜されたチタン層を650℃〜800℃の温度で酸化処理したものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電気−機械変換素子。   5. The electromechanical conversion element according to claim 1, wherein the metal oxide layer is obtained by oxidizing a formed titanium layer at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. 6. 前記急速加熱処理が施された白金膜の粒径が、60nm〜280nmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電気−機械変換素子。   6. The electromechanical conversion element according to claim 1, wherein a particle diameter of the platinum film subjected to the rapid heating treatment is in a range of 60 nm to 280 nm. 前記急速加熱処理が、前記金属酸化物層を形成する前に白金膜を昇温速度10℃/秒以上で650℃〜850℃に加熱して1分〜5分処理したものであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の電気−機械変換素子。   The rapid heating treatment is characterized in that the platinum film is heated to 650 ° C. to 850 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more for 1 minute to 5 minutes before forming the metal oxide layer. The electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 6. 請求項1乃至7のいずれかに記載の電気−機械変換素子の製造方法であって、
密着層形成工程、下部電極形成工程、金属酸化物層形成工程、電気−機械変換膜形成工程、及び上部電極形成工程を備え、
前記下部電極形成工程は、
密着層上に白金膜を形成する工程と、
形成された白金膜を昇温速度10℃/秒以上で650℃〜850℃に加熱して1分〜5分急速加熱処理する工程を含み、
前記金属酸化物層形成工程は、
急速加熱処理された白金膜表面にチタン層を成膜し、650℃〜800℃の温度で酸化処理して金属酸化物層を形成する工程を含み、
前記電気−機械変換膜形成工程は、
金属酸化物層上にPZT前駆体溶液を塗布して積層形成する工程を含み、
前記上部電極形成工程は、金属電極膜、もしくは金属酸化物電極膜と金属電極膜により形成する工程を含むことを特徴とする電気−機械変換素子の製造方法。
A method for producing an electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 7,
An adhesion layer forming step, a lower electrode forming step, a metal oxide layer forming step, an electromechanical conversion film forming step, and an upper electrode forming step;
The lower electrode forming step includes
Forming a platinum film on the adhesion layer;
Heating the formed platinum film to 650 ° C. to 850 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./second or more and performing a rapid heat treatment for 1 minute to 5 minutes,
The metal oxide layer forming step includes
Including a step of forming a titanium layer on the surface of the platinum film subjected to the rapid heating treatment and forming a metal oxide layer by oxidation treatment at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C.
The electro-mechanical conversion film forming step includes:
Including a step of applying a PZT precursor solution on the metal oxide layer to form a laminate;
The method of manufacturing an electromechanical conversion element, wherein the upper electrode forming step includes a step of forming a metal electrode film or a metal oxide electrode film and a metal electrode film.
請求項1乃至7のいずれかに記載の電気−機械変換素子を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   A liquid droplet ejection head comprising the electro-mechanical conversion element according to claim 1. 請求項9に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクカートリッジ。   An ink cartridge comprising the droplet discharge head according to claim 9. 請求項9に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像形成装置。   An image forming apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 9.
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