JP2016054286A - Piezoelectric element utilization device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、圧電素子を利用した圧電素子利用装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element utilization apparatus using a piezoelectric element and a manufacturing method thereof.
圧電素子を利用した圧電素子利用装置として、インクジェットプリントヘッドが知られている。このようなインクジェットプリントヘッドの一例は、特許文献1に開示されている。特許文献1に開示されているインクジェットプリントヘッドは、加圧室を有するシリコン基板と、加圧室に対向するようにシリコン基板に支持された可動膜(振動膜)と、可動膜に接合された圧電素子とを備えている。圧電素子は、可動膜側から、下部電極、圧電体膜および上部電極を積層して構成されている。圧電素子の上面および側面は、Al2O3(アルミナ)からなる水素バリア膜によって覆われている。水素バリア膜上にはSi02からなる層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜上にはSiNからなる表面保護膜(パッシベーション膜)が形成されている。
An ink jet print head is known as a piezoelectric element utilizing apparatus using a piezoelectric element. An example of such an ink jet print head is disclosed in
圧電体膜を変形しやすくすると、可動膜の変位量を大きできる。圧電体膜を変形しやすくためには、圧電素子の周囲には必要最小限の膜のみを設け、それ以外の膜を設けない方が好ましい。水素バリア膜としてのアルミナ膜は、圧電体膜の保護のために必須である。そこで、本発明者は、圧電素子の周囲のうち、上部電極に接続される配線が設けられる領域のみに層間絶縁膜およびパッシベーション膜を形成し、それ以外の領域においては水素バリア膜のみが形成された構成を試作した。 If the piezoelectric film is easily deformed, the amount of displacement of the movable film can be increased. In order to easily deform the piezoelectric film, it is preferable that only the minimum necessary film is provided around the piezoelectric element and no other film is provided. An alumina film as a hydrogen barrier film is essential for protecting the piezoelectric film. Therefore, the present inventor forms an interlayer insulating film and a passivation film only in a region around the piezoelectric element where a wiring connected to the upper electrode is provided, and only a hydrogen barrier film is formed in other regions. A prototype was constructed.
つまり、可動膜および圧電素子の表面を覆うように、スパッタ法によって水素バリア膜を形成する。次に、水素バリア膜上の全面に層間絶縁膜を形成する。次に、層間絶縁膜上に配線膜を形成し、パターニングすることにより上部電極に接続する配線を形成する。次に、層間絶縁膜の表面および配線の表面を覆うパッシベーション膜を形成する。次に、パッシベーション膜をフォトリソグラフィによってパターニング(エッチング)することにより、配線を覆っている部分以外のパッシベーション膜を除去する。この後、層間絶縁膜をフォトリソグラフィによってパターニング(エッチング)することにより、配線が存在している領域以外の部分を除去する。これにより、圧電素子の側面および上面のほぼ全域は、水素バリア膜のみによって覆われた状態となる。 That is, the hydrogen barrier film is formed by sputtering so as to cover the surface of the movable film and the piezoelectric element. Next, an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the hydrogen barrier film. Next, a wiring film is formed on the interlayer insulating film and patterned to form a wiring connected to the upper electrode. Next, a passivation film that covers the surface of the interlayer insulating film and the surface of the wiring is formed. Next, by patterning (etching) the passivation film by photolithography, the passivation film other than the portion covering the wiring is removed. Thereafter, the interlayer insulating film is patterned (etched) by photolithography to remove portions other than the region where the wiring exists. As a result, almost the entire side surface and upper surface of the piezoelectric element are covered with only the hydrogen barrier film.
本発明者が試作した構成では、上部電極が剥離するおそれがあることが判明した。上部電極が剥離する理由は、次のように考えられる。スパッタ法によって形成された水素バリア膜は、圧電素子の側面における膜厚が薄いので、必ずしもカバレッジが充分とはいえない。また、上部電極に接続する配線下の層間絶縁膜のパターニング時に水素バリア膜が損傷を受ける。そのため、層間絶縁膜のパターニング工程において、レジスト剥離(アッシング)後に有機物除去のために使用されるアルカリ性処理液が、上部電極へと浸透し、化学反応(電池反応)を生じて、上部電極膜の剥離を引き起こす。 It has been found that the configuration made by the present inventor may cause the upper electrode to peel off. The reason why the upper electrode peels is considered as follows. Since the hydrogen barrier film formed by sputtering is thin on the side surface of the piezoelectric element, it cannot be said that the coverage is necessarily sufficient. Further, the hydrogen barrier film is damaged when the interlayer insulating film under the wiring connected to the upper electrode is patterned. Therefore, in the patterning process of the interlayer insulating film, the alkaline processing liquid used for organic substance removal after resist stripping (ashing) penetrates into the upper electrode and causes a chemical reaction (battery reaction). Causes peeling.
この発明の目的は、圧電体膜を変形しやすくでき、かつ上部電極の剥離が生じない圧電体素子利用装置およびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric element utilizing apparatus that can easily deform a piezoelectric film and that does not cause peeling of an upper electrode, and a manufacturing method thereof.
この発明による圧電素子利用装置は、下部電極、下部電極上に形成された圧電体膜および圧電体膜上に形成された上部電極を有する圧電素子と、前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域を覆う水素バリア膜と、前記上部電極の上面中央に開口を有し、前記水素バリア膜に積層され、前記水素バリア膜を介して、前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域に対向する層間絶縁膜とを含む。 The piezoelectric element utilization apparatus according to the present invention includes a lower electrode, a piezoelectric film formed on the lower electrode, a piezoelectric element having an upper electrode formed on the piezoelectric film, and an entire side surface of the upper electrode and the piezoelectric film. A hydrogen barrier film that covers the upper electrode, and an interlayer that has an opening at the center of the upper surface of the upper electrode, is stacked on the hydrogen barrier film, and faces the entire side surface of the upper electrode and the piezoelectric film through the hydrogen barrier film An insulating film.
この構成では、上部電極および圧電体膜の側面全域が、水素バリア膜と水素バリア膜に積層された層間絶縁膜とによって覆われている。したがって、この構成では、圧電素子利用装置の製造時において、上部電極および圧電体膜の側面を覆っている層間絶縁膜を除去するパターニング工程は存在しない。つまり、この構成では、圧電素子利用装置の製造時において、上部電極の剥離を引き起こす原因となる工程は存在しないため、上部電極の剥離が生じなくなる。 In this configuration, the entire side surfaces of the upper electrode and the piezoelectric film are covered with the hydrogen barrier film and the interlayer insulating film laminated on the hydrogen barrier film. Therefore, in this configuration, there is no patterning step for removing the interlayer insulating film covering the side surfaces of the upper electrode and the piezoelectric film during the manufacture of the piezoelectric element utilizing apparatus. In other words, in this configuration, there is no process that causes peeling of the upper electrode during the manufacture of the piezoelectric element utilizing apparatus, and therefore peeling of the upper electrode does not occur.
また、この構成では、層間絶縁膜は上部電極の上面中央に開口を有しているので、圧電体素子の駆動時に、圧電体膜が変形しやすくなる。
この発明の一実施形態では、キャビティを有する基板と、前記キャビティに対向するように基板に保持された可動膜とをさらに含み、前記圧電素子が、可動膜上に設けられている。
In this configuration, since the interlayer insulating film has an opening at the center of the upper surface of the upper electrode, the piezoelectric film is easily deformed when the piezoelectric element is driven.
In one embodiment of the present invention, the substrate further includes a substrate having a cavity and a movable film held on the substrate so as to face the cavity, and the piezoelectric element is provided on the movable film.
この発明の一実施形態では、前記可動膜と前記圧電素子との間に金属バリア膜が介在している。この構成では、圧電体膜から金属元素が抜け出すことを防止できる。これにより、圧電体膜の圧電特性を良好に保つことができるとともに、圧電体膜の成膜時に、可動膜に金属が拡散するのを防止できる。
この発明の一実施形態では、前記金属バリア膜が、Al2O3膜である。
In one embodiment of the present invention, a metal barrier film is interposed between the movable film and the piezoelectric element. With this configuration, it is possible to prevent the metal element from escaping from the piezoelectric film. Thereby, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film can be kept good, and metal can be prevented from diffusing into the movable film when the piezoelectric film is formed.
In one embodiment of the present invention, the metal barrier film is an Al 2 O 3 film.
この発明の一実施形態では、前記圧電素子上において、前記層間絶縁膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔が形成されており、前記層間絶縁膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接続され、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線が形成されている。
この発明の一実施形態では、前記層間絶縁膜上の前記配線の存在する領域のみに形成され、前記配線を被覆するパッシベーション膜をさらに含む。この構成では、パッシベーション膜が層間絶縁膜上の全域に形成されている場合に比べて、可動膜の変位を大きくすることができる。
In one embodiment of the present invention, a contact hole exposing a part of the upper electrode is formed in the interlayer insulating film on the piezoelectric element, and one end of the contact hole is formed in the contact hole on the interlayer insulating film. A wiring is formed which is connected to the upper electrode through the other end and is drawn out to the outside of the piezoelectric element.
In one embodiment of the present invention, the semiconductor device further includes a passivation film that is formed only in a region where the wiring is present on the interlayer insulating film and covers the wiring. In this configuration, the displacement of the movable film can be increased as compared with the case where the passivation film is formed over the entire area of the interlayer insulating film.
この発明の一実施形態では、前記キャビティが前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において矩形状に形成されており、前記可動膜が、前記平面視においてキャビティエッジと整合する矩形状に形成されており、前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している。 In one embodiment of the present invention, the cavity is formed in a rectangular shape in a plan view when viewed from a normal direction with respect to a main surface of the movable film, and the movable film is aligned with a cavity edge in the plan view. The piezoelectric film is a rectangle having a width shorter than the width of the movable film in the short direction and a length shorter than the length of the movable film in the longitudinal direction in the plan view. The both end edges and both side edges of the movable film recede to the inside of the movable film than the both end edges and both side edges of the movable film, respectively, and the upper electrode has a short direction of the movable film in the plan view. A rectangle having a width shorter than the width of the movable film and a length shorter than the length in the longitudinal direction of the movable film, and both end edges and both side edges of the movable film are more inward of the movable film than both end edges and both side edges of the movable film. Each retreating .
この構成では、圧電体膜および上部電極は、可動膜の周縁部上には配置されていないので、可動膜の変位を大きくすることができる。
この発明の一実施形態では、前記水素バリア膜がAl2O3膜である。
この発明の一実施形態では、前記層間絶縁膜が、SiO膜である。
この発明の一実施形態では、前記パッシベーション膜が、SiN膜である。
In this configuration, since the piezoelectric film and the upper electrode are not disposed on the peripheral edge of the movable film, the displacement of the movable film can be increased.
In one embodiment of the present invention, the hydrogen barrier film is an Al 2 O 3 film.
In one embodiment of the present invention, the interlayer insulating film is a SiO film.
In one embodiment of the present invention, the passivation film is a SiN film.
この発明の一実施形態では、前記上部電極が、前記圧電体膜上に形成されたIr02膜と、前記Ir02膜上に形成されたIr膜との積層膜から構成されている。
この発明による、圧電素子利用装置の製造方法は、下部電極、前記下部電極上に形成された圧電膜および前記圧電体膜上に形成された上部電極からなる圧電素子を、可動膜上に形成する第1工程と、前記可動膜および前記圧電素子の表面を覆う水素バリア膜を形成する第2工程と、前記水素バリア膜上に層間絶縁膜を形成する第3工程と、前記圧電素子上において、前記水素バリア膜および前記層間絶縁膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔を形成する第4工程と、前記層間絶縁膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する第5工程と、前記層間絶縁膜上の前記配線の存在する領域に、前記配線を被覆するパッシベーション膜を形成する第6工程と、前記水素バリア膜および前記層間絶縁膜おける前記圧電素子の上面中央部に、開口を形成する第7工程とを含む。
In one embodiment of the present invention, the upper electrode, and Ir0 2 film formed on the piezoelectric film, and a laminated film of a Ir film formed on the Ir0 2 film.
According to a method of manufacturing a piezoelectric element utilization apparatus according to the present invention, a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film is formed on a movable film. In the first step, the second step of forming a hydrogen barrier film covering the surfaces of the movable film and the piezoelectric element, the third step of forming an interlayer insulating film on the hydrogen barrier film, and the piezoelectric element, A fourth step of forming a contact hole exposing a part of the upper electrode in the hydrogen barrier film and the interlayer insulating film; and one end of the contact hole on the interlayer insulating film via the contact hole. A fifth step of forming a wiring in contact with the other end of the piezoelectric element, and a passivation film for covering the wiring in a region where the wiring is present on the interlayer insulating film. 6 And degree, the upper central portion of the hydrogen barrier film and the interlayer insulating film definitive the piezoelectric element, and a seventh step of forming an opening.
この製造方法では、この発明による圧電素子利用装置の構成を備えた圧電素子利用装置がえられる。このため、圧電体膜が変形しやすく、かつ上部電極の剥離が生じない圧電素子利用装置を製造できる。
この発明の一実施形態では、前記第5工程は、前記コンタクト孔内を含む前記層間絶縁膜上に配線膜を形成する工程と、前記配線膜をパターニングすることにより、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する工程とを含む。
In this manufacturing method, a piezoelectric element utilization apparatus having the configuration of the piezoelectric element utilization apparatus according to the present invention can be obtained. Therefore, it is possible to manufacture a piezoelectric element utilizing apparatus in which the piezoelectric film is easily deformed and the upper electrode is not peeled off.
In one embodiment of the present invention, the fifth step includes a step of forming a wiring film on the interlayer insulating film including the inside of the contact hole, and patterning the wiring film, so that one end portion forms the contact hole. Forming a wiring that is in contact with the upper electrode through the other end and led to the outside of the piezoelectric element.
この発明の一実施形態では、前記第6工程は、前記層間絶縁膜上に、前記層間絶縁膜の表面および前記配線の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜を、前記配線を覆う部分のみからなるパターンにパターニングする工程とを含む。 In one embodiment of the present invention, the sixth step includes a step of forming a passivation film covering the surface of the interlayer insulating film and the surface of the wiring on the interlayer insulating film; and And patterning into a pattern consisting of only the covering portion.
以下では、第1発明〜第4発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
[1]第1発明について
図1Aは、第1発明が適用されたインクジェットプリントヘッドの模式的な平面図である。図1Bは、パッシベーション膜が形成されている領域を示すための模式的な平面図である。図1Bは、層間絶縁膜のうち、表面にパッシベーション膜が形成されていない領域を示すための模式的な平面図である。図2は、図1のII-II線に沿う模式的な拡大断面図である。図3は、図1のIII-III線に沿う模式的な拡大断面図である。図4は、インクジェットプリントヘッドの模式的な斜視図である。ただし、図1Aおよび図4においては、図2および図3に符号13で示される水素バリア膜と、符号14で示される絶縁膜とが省略されている。図5は、可動膜形成層上に形成された下部電極以外の構成を取り除いて、可動膜形成層上に形成された下部電極の平面形状を示す平面図である。
Hereinafter, embodiments of the first to fourth inventions will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[1] Regarding the First Invention FIG. 1A is a schematic plan view of an ink jet print head to which the first invention is applied. FIG. 1B is a schematic plan view for illustrating a region where a passivation film is formed. FIG. 1B is a schematic plan view for showing a region where a passivation film is not formed on the surface of the interlayer insulating film. FIG. 2 is a schematic enlarged sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view of the ink jet print head. However, in FIG. 1A and FIG. 4, the hydrogen barrier film | membrane shown by the code |
図2を参照して、インクジェットプリントヘッド1は、シリコン基板2と、インクを吐出する吐出口3aを有するノズル基板3とを備えている。シリコン基板2上には、可動膜形成層10が積層されている。シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、インク流路(インク溜まり)としての圧力室(キャビティ)5が形成されている。圧力室5は、シリコン基板2に形成されかつシリコン基板2を厚さ方向に貫通する空間部5Aと、可動膜形成層10の裏面(シリコン基板2側の表面)に形成されかつ空間部5Aに連続する凹部5Bとから構成されている。
Referring to FIG. 2, the ink
ノズル基板3は、たとえばシリコンプレートからなり、シリコン基板2の裏面に張り合わされ、シリコン基板2および可動膜形成層10とともに、圧力室5を区画している。ノズル基板3は、圧力室5に臨む凹部3bを有し、凹部3bの底面にインク吐出通路3cが形成されている。インク吐出通路3cは、ノズル基板3を貫通しており、圧力室5とは反対側に吐出口3aを有している。したがって、圧力室5の容積変化が生じると、圧力室5に溜められたインクは、インク吐出通路3cを通り、吐出口3aから吐出される。
The
圧力室5は、シリコン基板2の裏面側から、シリコン基板2および可動膜形成層10を掘りこんで形成されている。シリコン基板2および可動膜形成層10には、さらに、圧力室5に連通するインク供給路4(図1Aおよび図3を合わせて参照)が形成されている。インク供給路4は、圧力室5に連通しており、インク供給源であるインクタンク(たとえばインクカートリッジ)からのインクを圧力室5に導くように形成されている。圧力室5は、図2の左右方向であるインク流通方向21に沿って細長く延びて形成されている。
The
可動膜形成層10における圧力室5の天壁部分は、可動膜(メンブレン)10Aを構成している。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成された酸化シリコン(SiO2)膜からなる。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成されたシリコン(Si)層と、シリコン層上に形成され酸化シリコン(SiO2)層と、酸化シリコン層上に形成された窒化シリコン(SiN)層との積層体から構成されていてもよい。この明細書において、可動膜10Aとは、可動膜形成層10のうち圧力室5を区画している天壁部を意味している。したがって、可動膜形成層10のうち、圧力室5の天壁部以外の部分は、可動膜10Aを構成していない。
The top wall portion of the
可動膜10Aの厚さは、たとえば、0.4μm〜2μmである。可動膜10Aが酸化シリコン膜から構成される場合は、酸化シリコン膜の厚さは1.2μm程度であってもよい。可動膜10Aが、シリコン層と酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体から構成される場合には、シリコン層、酸化シリコン層および窒化シリコン層の厚さは、それぞれ0.4μm程度であってもよい。
The thickness of the
圧力室5は、可動膜10Aと、シリコン基板2と、ノズル基板3とによって区画されており、この実施形態では、略直方体状に形成されている。圧力室5の長さはたとえば800μm程度、その幅は55μm程度であってもよい。インク供給路4は、圧力室5の長手方向一端部(この実施形態では、吐出口3aとは反対側に位置する端部)に連通するように形成されている。ノズル基板3の吐出口3aは、この実施形態では、圧力室5の長手方向に関する他端部付近に配置されている。
The
可動膜形成層10の表面には、金属バリア膜11が形成されている。金属バリア膜11は、たとえば、Al2O3(アルミナ)膜からなる。金属バリア膜11は、MgO膜、ZrO2であってもよい。金属バリア膜11の表面には、可動膜10Aの上方位置に、圧電素子6が配置されている。圧電素子6は、金属バリア膜11上に形成された下部電極7と、下部電極7上に形成された圧電体膜8と、圧電体膜8上に形成された上部電極9とを備えている。言い換えれば、圧電素子6は、圧電体膜8を上部電極9および下部電極7で上下から挟むことにより構成されている。
A
下部電極7は、たとえば、Ti(チタン)層およびPt(プラチナ)層を可動膜10A側から順に積層した2層構造を有している。この他にも、Au(金)膜、Cr(クロム)層、Ni(ニッケル)層などの単膜で下部電極7を形成することもできる。下部電極7は、圧電体膜8の下面に接した主電極部7Aと、圧電体膜8の外方の領域まで延びた延長部7B(図1A、図4および図5も参照)とを有している。
The
圧電体膜8としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜8は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜8の厚さは、1μm〜5μmが好ましい。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜8の厚さと同程度か、圧電体膜の厚さの2/3程度とすることが好ましい。前述の金属バリア膜11は、圧電体膜8から金属元素(圧電体膜8がPZTの場合には、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜8の圧電特性を良好に保つとともに、圧電体膜8の成膜時に、可動膜10Aに金属が拡散するのを防止する。
As the
上部電極9は、圧電体膜8と平面視でほぼ同じ形状に形成されている。上部電極9は、この実施形態では、IrO2(酸化イリジウム)膜31およびIr(イリジウム)膜32を圧電体膜8側から順に積層した2層構造を有している。
金属バリア膜11の表面、圧電素子6の表面および下部電極7の延長部の表面は、水素バリア膜13によって覆われている。水素バリア膜13は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜13上の全面に、層間絶縁膜14が積層されている。層間絶縁膜14は、たとえば、SiO2からなる。層間絶縁膜14上には配線15が形成されている。配線15は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなる。
The
The surface of the
配線15の一端部は、上部電極9の一端部の上方に配置されている。配線15と上部電極9との間において、水素バリア膜13および層間絶縁膜14を連続して貫通する貫通孔(コンタクト孔)16が形成されている。配線15の一端部は、貫通孔16に入り込み、貫通孔16内で上部電極9に接続されている。また、水素バリア膜13および層間絶縁膜14には、上部電極9の上面中央部(上部電極9の上面における周縁部によって囲まれた部分)に平面視矩形状の開口17が形成されている。
One end of the
また、下部電極7の延長部7B上の所定領域に対応する位置には、水素バリア膜13および層間絶縁膜14を連続して貫通する開口18が形成されており、下部電極7の表面が開口18を介して露出している。この露出部分は、下部電極7を外部に接続するためのパッド部7dを構成している。層間絶縁膜14上には、配線15を覆うパッシベーション膜25が形成されている。
In addition, an
圧電素子6は、可動膜10Aおよび金属バリア膜11を挟んで圧力室5に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子6は、金属バリア膜11の圧力室5とは反対側の表面に接するように形成されている。圧力室5には、図示しないインクタンクからインク供給路4を通って供給されるインクが充填される。可動膜10Aは、圧力室5の天面部を区画していて、圧力室5に臨んでいる。可動膜10Aは、可動膜形成層10とシリコン基板2との積層体における圧力室5の周囲の部分によって支持されており、圧力室5に対向する方向(換言すれば可動膜10Aの厚さ方向)に変形可能な可撓性を有している。
The
配線15および下部電極7のパッド部7dは、駆動回路20に接続されている。駆動回路20は、シリコン基板2の圧力室5とは別の領域に形成されていてもよいし、シリコン基板2外に形成されていてもよい。駆動回路20から圧電素子6に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜8が変形する。これにより、圧電素子6とともに可動膜10Aが変形し、それによって、圧力室5の容積変化がもたらされ、圧力室5内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路3cを通って、吐出口3aから微小液滴となって吐出される。
The
図1A〜図5を参照して、シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、複数の圧力室5が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の圧力室5は、それらの幅方向に微小な間隔(たとえば30μm〜350μm程度)を開けて等間隔で形成されている。各圧力室5は、平面視において、インク供給路4から吐出通路3cに向かうインク流通方向21に沿って細長く延びた長方形形状を有している。つまり、圧力室5の天面部は、インク流通方向21に沿う2つの側縁5c,5dと、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁5a,5bとを有している。インク供給路4は、圧力室5の一端部において、2つの通路に分かれて形成されており、共通インク通路19に連通している。共通インク通路19は、複数の圧力室5に対応したインク供給路4に連通しており、それらのインク供給路4に、インクタンクからのインクを供給するように形成されている。
Referring to FIGS. 1A to 5, a plurality of
圧電素子6は、インク流通方向21(可動膜10Aの長手方向と同方向)の長さが、可動膜10Aの長手方向の長さよりも短く形成されており、平面視矩形形状を有している。そして、図1Aに示すように、圧電素子6の短手方向に沿う両端縁6a,6bは、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の間隔d1(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。また、圧電素子6は、可動膜10Aの長手方向に直交する短手方向(シリコン基板2の主面に平行な方向)の幅が、可動膜10A(圧力室5の天面部)の当該短手方向の幅よりも狭く形成されている。そして、圧電素子6の長手方向に沿う両側縁6c,6dは、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、所定の間隔d2(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。
The
下部電極7は、図1Aおよび図5に示すように、平面視において、インク流通方向21に沿う方向に所定幅を有し、かつインク流通方向21と直交する方向に複数の圧力室5を跨いで延びた平板状であり、複数の圧電素子6に対して共用される共通電極である。下部電極7のインク流通方向21と直交する方向に沿う第1の辺7aは、平面視において、複数の圧電素子6の一方の端縁6aを結ぶ線と整合している。下部電極7の第1の辺7aに対向する第2の辺7bは、複数の圧電素子6の他方の端縁6bに対応する可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。
As shown in FIGS. 1A and 5, the
下部電極7は、圧電素子6を構成する平面視矩形状の主電極部7Aと、主電極部7Aから可動膜形成層10の表面に沿う方向に引き出され、圧力室5の天面部(可動膜10A)の周縁を跨いで圧力室5の天面部の周縁の外方に延びた延長部7Bとを含んでいる。主電極部7Aは、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、主電極部7Aは、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
The
延長部7Bは、平面視において、主電極部7Aの各側縁から圧力室5の天面部の対応する側縁5c,5dを跨いで、圧力室5の天面部の側縁5c,5dの外方に延びている。延長部7Bは、下部電極7の全領域のうちの主電極部7Aを除いた領域である。延長部7Bには、各圧電素子6のインク流通方向21の下流側に、下部電極7を貫通する平面視矩形状の切除部7cが形成されている。各切除部7cは、平面視において、インク流通方向21に沿う2つの側縁(短辺)と、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁(長辺)とを有している。切除部7cの一方の端縁はインク流通方向21に関して圧電素子6の端縁6b(主電極部7Aの下流側の端縁)と整合する位置に配置され、他方の端縁は可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。切除部7cの一方の側縁は可動膜10Aの一方の側縁10Acよりも外側に配置され、切除部7cの他方の側縁は可動膜10Aの他方の側縁10Adよりも外側に配置されている。したがって、平面視において、可動膜10Aの端縁10Ab側の端部は切除部7cの内側に配置されている。下部電極7の第2の辺7bと複数の切除部7cとの間の領域に、インク流通方向21に直交する方向に細長い矩形状のパッド部7dが形成されている。
The
図1A〜図4を参照して、上部電極9は、平面視において、下部電極7の主電極部7Aと同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、上部電極9は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、上部電極9は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
Referring to FIGS. 1A to 4,
圧電体膜8は、平面視において、上部電極9と同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、圧電体膜8は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、圧電体膜8は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。圧電体膜8の下面は下部電極7における圧電素子6を構成している部分の上面に接しており、圧電体膜8の上面は上部電極9の下面に接している。
The
配線15は、一端部が上部電極9の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)に接続されかつ平面視においてインク流通方向21と反対方向に延びた引き出し部15Aと、引き出し部15Aと一体化し、引き出し部15Aの先端に接続された平面視矩形状のパッド部15Bとからなる。パッド部15Bは、圧電素子6の一方の端縁6aよりもインク流通方向21の上流側に配置されている。引き出し部15Aは、圧電素子6の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)の上面からそれに連なる圧電素子6の端面に沿って延び、さらに可動膜形成層10に表面に沿って、パッド部15Bまで延びている。パッシベーション膜25は、配線15が存在する領域にのみ形成されており、配線15の上面および側面を覆っている。パッシベーション膜25には、パッド部15B表面の中央部を露出させる開口26が形成されている。
The
図6A〜図6Pは、前記インクジェットプリントヘッド1の製造工程の一例を示す断面図であり、図2に対応する切断面を示す。
まず、図6Aに示すように、シリコン基板2の表面に可動膜形成層10が形成される。ただし、シリコン基板2としては、最終的なシリコン基板2の厚さより厚いものが用いられる。具体的には、シリコン基板2の表面に酸化シリコン層(たとえば、1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン層と酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体で構成される場合には、シリコン基板2の表面にシリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン層上に酸化シリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン層上に窒化シリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成される。
6A to 6P are cross-sectional views showing an example of the manufacturing process of the
First, as shown in FIG. 6A, the movable
次に、図6Bに示すように、可動膜形成層10の表面に、たとえばAl2O3からなる金属バリア膜11が形成される。金属バリア膜11は、後に形成される圧電体膜8からの金属原子(たとえば、Pb,Zr,Ti)の抜け出しを防ぐ。金属電子が抜け出すと、圧電体膜8の圧電特性が悪くなるおそれがある。また、抜け出した金属原子が可動膜10Aを構成するシリコン層に混入すると可動膜10Aの耐久性が悪化するおそれがある。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、図6Cに示すように、金属バリア膜11の上に、下部電極7の材料層である下部電極膜57が形成される。下部電極膜57は、たとえば、Ti膜(たとえば10nm〜40nm厚)を下層としPt膜(たとえば10nm〜400nm厚)を上層とするPt/Ti積層膜からなる。このような下部電極膜57は、スパッタ法で形成されてもよい。
次に、図6Dに示すように、圧電体膜8の材料膜(圧電体材料膜)58が下部電極膜57上の全面に形成される。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって1μm〜5μm厚のPZT膜が形成される。このようなPZT膜は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
Next, as shown in FIG. 6C, a
Next, as shown in FIG. 6D, a material film (piezoelectric material film) 58 of the
次に、図6Eに示すように、圧電体材料膜58の全面に上部電極9の材料である上部電極膜59が形成される。上部電極膜59は、IrO2膜31(たとえば40nm〜160nm厚)を下層とし、Ir膜32(たとえば40nm〜160nm厚)を上層とするIr02/Ir積層膜からなる。このような上部電極膜59は、スパッタ法で形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 6E, an
次に、図6Fおよび図6Gに示すように、上部電極膜59、圧電体材料膜58および下部電極膜57のパターニングが行われる。まず、図6Fに示すように、フォトグラフィによって、下部電極7のパターンのレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、上部電極膜59、圧電体材料膜58および下部電極膜57が同一パターンにエッチングされることにより、所定パターンの下部電極膜57が形成される。より詳細には、上部電極膜59はドライエッチングによってパターニングされ、圧電体材料膜58はウェットエッチングによってパターニングされ、下部電極膜57はドライエッチングによってパターニングされる。こうして、下部電極7が形成される。圧電体材料膜58のウェットエッチングに用いるエッチャントは、塩酸を主体とした酸類であってもよい。
Next, as shown in FIGS. 6F and 6G, the
次に、レジストマスクを剥離した後、フォトリソグラフィによって、圧電体膜8のパターンのレジストマスクが形成され、このレジストパターンを用いて、上部電極膜59および圧電体材料膜58が同一パターンにエッチングされる。より詳細には、上部電極膜59はドライエッチングによってパターニングされ、圧電体材料膜58はウェットエッチングによってパターニングされる。こうして、図6Gに示すように、圧電体膜8および上部電極9が形成される。これにより、下部電極の主電極部7A、圧電体膜8および上部電極9からなる圧電素子6が形成される。
Next, after removing the resist mask, a resist mask having a pattern of the
次に、図6Hに示すように、レジストマスクを剥離した後、全面を覆う水素バリア膜13が形成される。水素バリア膜13は、スパッタ法で形成されたAl2O3膜であってもよく、その膜厚は、40nm〜160nmであってもよい。
次に、図6Iに示すように、水素バリア膜13上の全面に層間絶縁膜14が形成される。層間絶縁膜14は、SiO2膜であってもよく、その膜厚は、250nm〜1000nmであってもよい。
Next, as shown in FIG. 6H, after removing the resist mask, a
Next, as shown in FIG. 6I, an
次に、図6Jに示すように、層間絶縁膜14および水素バリア膜13の両方に、貫通孔16および開口18が形成される。
次に、貫通孔16内を含む層間絶縁膜14上に、配線15を構成する配線膜が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、配線膜がパターニングされることにより、図6Kに示すように、上部電極9に接続された配線15が形成される。
Next, as shown in FIG. 6J, the through
Next, a wiring film constituting the
次に、図6Lに示すように、層間絶縁膜14の表面および配線15の表面に、パッシベーション膜25が形成される。
次に、フォトグラフィによって、配線15の上面およびその近傍の領域を覆いかつ開口26に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、パッシベーション膜25がエッチングされる。これにより、パッシベーション膜25のうち、配線15を覆っている領域以外の領域と開口26に対応する領域とが除去される。これにより、図6Mに示すように、配線15の存在する領域のみに、配線15の上面および側面を覆いかつ開口26を有するパッシベーション膜25が残る。この後、レジストマスクが剥離された後、アルカリ性処理液を用いて有機物が除去される。
Next, as shown in FIG. 6L, a
Next, a resist mask that covers the upper surface of the
次に、図6Nに示すように、層間絶縁膜14および水素バリア膜13における上部電極9の上面中央に、開口17が形成される。具体的には、まず、フォトグラフィによって、開口17に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、層間絶縁膜14がエッチングされる。これにより、層間絶縁膜14に開口17が形成される。この後、前記レジストマスクをマスクとして、水素バリア膜13がエッチングされる。これにより、水素バリア膜13に開口17が形成される。この後、レジストマスクが剥離された後、アルカリ性処理液を用いて有機物が除去される。
Next, as shown in FIG. 6N, an
次に、図6Oに示すように、シリコン基板2を薄くするための裏面研削が行われる。基板2が裏面から研磨されることにより、基板2が薄膜化される。たとえば、初期状態で670μm厚程度のシリコン基板2が、300μm厚程度に薄型化されてもよい。
次に、図6Pに示すように、シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体に対して、シリコン基板2の裏面からエッチング(ドライエッチングまたはウェットエッチング)を行うことによって、圧力室5、インク供給路4および共通インク通路19が形成され、同時に可動膜10Aが形成される。このエッチングの際、水素バリア膜13および可動膜形成層10の表面に形成される金属バリア膜11は、圧電体膜8から金属元素(PZTの場合は、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜8の圧電特性を良好に保つ。また、前述のとおり、可動膜形成層10の表面に形成される金属バリア膜11は、可動膜10Aを形成するシリコン層の耐久性の維持に寄与する。
Next, as shown in FIG. 6O, back surface grinding for thinning the
Next, as shown in FIG. 6P, by performing etching (dry etching or wet etching) from the back surface of the
この後、図6には図示しないが、ノズル基板3がシリコン基板2の裏面に張り合わされることにより、図1A〜図4に示されるインクジェットプリントヘッド1が得られる。
図7A〜図7Eは、前記インクジェットプリントヘッド1において、層間絶縁膜14のうち配線が存在している領域以外の部分が除去された比較例の製造工程を示す断面図である。
Thereafter, although not shown in FIG. 6, the
7A to 7E are cross-sectional views showing a manufacturing process of a comparative example in which the portion other than the region where the wiring exists in the
前述した図6A〜図6Mの工程は、この比較例においても同じである。図7Aは、図6図6Lに対応し、図7Bは、図6Mに対応している。
図7Aでは、前述したように、層間絶縁膜14上の全面に、パッシベーション膜25が形成される。
次に、フォトグラフィによって、配線15の上面およびその近傍の領域を覆いかつ開口26に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、パッシベーション膜25がエッチングされる。これにより、パッシベーション膜25のうち、配線15を覆っている領域以外の領域と開口26に対応する領域とが除去される。これにより、図7Bに示すように、配線15の存在する領域のみに、配線15の上面および側面を覆いかつ開口26を有するパッシベーション膜25が残る。この後、レジストマスクが剥離された後、アルカリ性処理液を用いて有機物が除去される。
The steps of FIGS. 6A to 6M described above are the same in this comparative example. 7A corresponds to FIG. 6 and FIG. 6L, and FIG. 7B corresponds to FIG. 6M.
In FIG. 7A, as described above, the
Next, a resist mask that covers the upper surface of the
次に、図7Cに示すように、パッシベーション膜25および開口26を覆うレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、層間絶縁膜14がエッチングされる。これにより、層間絶縁膜14のうち、配線15が存在する領域以外の部分が除去される。この後、レジストマスクが剥離された後、アルカリ性処理液を用いて有機物が除去される。
Next, as shown in FIG. 7C, a resist mask that covers the
次に、図7Dに示すように、水素バリア膜13における上部電極9の上面中央領域に、開口17が形成される。具体的には、フォトグラフィによって、開口17に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、水素バリア膜13がエッチングされる。これにより、水素バリア膜13に開口17が形成される。
このような比較例では、図7Eに示すように、上部電極9のIr膜32がIrO2膜31から剥がれた。なお、上部電極9全体が圧電体膜8から剥がれることもあった。
Next, as shown in FIG. 7D, an
In such a comparative example, the
比較例において、上部電極9が剥がれる理由は、次のように考えられる。スパッタ法によって形成された水素バリア膜13は、圧電素子6(圧電体膜8)の側面における膜厚が薄いので、必ずしもカバレッジが充分とはいえない。また、層間絶縁膜14のうち配線15が存在している領域以外の部分を除去するためのパターニング工程(図7Cの工程)において、水素バリア膜13が損傷を受ける。この層間絶縁膜14のパターニングによって、圧電素子6の側面のほぼ全域が、薄くてかつ損傷を受けた水素バリア膜13のみによって覆われることになる。この状態で、レジスト剥離が行われた後にアルカリ性処理液を用いた有機物除去が行われるので、アルカリ性処理液が上部電極9の側面からIr膜32とIrO2膜31との界面およびIrO2膜31と圧電体膜8との界面に浸透し、化学反応(電池反応)を生じて、上部電極9の剥離を引き起こすと考えられる。
In the comparative example, the reason why the
前述の実施形態では、比較例のように、層間絶縁膜14のうち配線15が存在している領域以外の部分を除去するパターニング工程が存在しない。したがって、圧電素子6の側面のほぼ全域が水素バリア膜13のみによって覆われた状態で、アルカリ性処理液を用いた有機物除去が行われることはない。このため、比較例のように、上部電極9の剥離は起こらない。
In the above-described embodiment, unlike the comparative example, there is no patterning process for removing a portion of the
また、前述の実施形態では、パッシベーション膜25は配線15の存在する部分にのみ形成されており、圧電素子6の側面および上面の大部分はパッシベーション膜25によって覆われていない。これにより、圧電素子6の側面および上面の全域がパッシベーション膜25によって覆われている特開2013−119182号公報に記載の従来例に比べて、可動膜10Aの変位を大きくすることができる。さらに、上述の実施形態では、水素バリア膜13および層間絶縁膜14には、圧電素子6の上面中央部に開口17が形成されているので、圧電素子6の上面全域が水素バリア膜13および層間絶縁膜14によって覆われている特開2013−119182号公報に記載の従来例に比べて、可動膜10Aの変位を大きくすることができる。
Further, in the above-described embodiment, the
以上、第1発明の実施形態について説明したが、第1発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。前述の実施形態では、水素バリア膜13は、Al2O3からなるスパッタ膜から構成されている。しかし、図8に示すように、水素バリア膜13は、スパッタ法によって成膜されたAl2O3膜(スパッタ膜)41と、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)によって成膜されたAl2O3膜(ALD膜)42とが積層された構造を有していてもよい。図8は、図3の切断面に対応した拡大断面である。図8において、前述の図3の各部に対応する部分には、図3と同じ符号を付して示す。
As mentioned above, although embodiment of 1st invention was described, 1st invention can also be implemented in other embodiment. In the above-described embodiment, the
スパッタ膜41は、水素に対するバリア性が高いが被覆性が低い。一方、ALD膜42は、被覆性が高いが水素に対するバリア性は低い。そこで、図8に示すように、水素バリア膜13をスパッタ膜41とALD膜42との積層膜から構成することにより、水素に対するバリア性が高くかつ被覆性の高い水素バリア膜13が得られる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化をより効果的に防止することができる。
The sputtered
また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ノチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
また、前述の実施形態では、可動膜形成層10の裏面には、圧力室5の一部を形成する凹部5Bが形成されているが、凹部5Bは形成されていなくてもよい。この場合には、圧力室5は、シリコン基板2に形成された空間部5Aのみから構成される。
In the above-described embodiment, PZT is exemplified as the material of the piezoelectric film, but in addition, lead titanate (PbPO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), notium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate A piezoelectric material made of a metal oxide typified by (LiTaO 3 ) or the like may be applied.
In the above-described embodiment, the
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
[2]第2〜第4発明について
[2−1]第2発明の目的は、大きな水素バリア効果が得られる、圧電アクチュエータの上部電極およびそれを備えた圧電アクチュエータを提供することである。
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
[2] About the second to fourth inventions [2-1] The object of the second invention is to provide an upper electrode of a piezoelectric actuator and a piezoelectric actuator including the same, which can obtain a large hydrogen barrier effect.
第2発明は、次のような特徴を有している。
A1.金属膜および導電性酸化膜が交互に少なくとも2回以上繰り返し積層された構造を有している、圧電アクチュエータの上部電極。
導電性酸化膜は、水素が入ってくると還元されるので、水素をトラップまたはブロックする機能がある。金属膜は、ある程度密度が高く、酸素、水素に対するバリア性能を有するが、多結晶であるため、結晶粒界(Grain boundary)から水素が入る可能性がある。そこで、導電性酸化膜と金属膜とを交互に2回以上繰り返し積層することにより、水素バリア性の高い上部電極が得られる。つまり、第2発明では、上部電極を金属単膜で厚く形成するよりも、薄い全体膜厚で大きな水素バリア効果が得られる。
The second invention has the following features.
A1. An upper electrode of a piezoelectric actuator having a structure in which metal films and conductive oxide films are alternately and repeatedly laminated at least twice.
Since the conductive oxide film is reduced when hydrogen enters, it has a function of trapping or blocking hydrogen. The metal film has a high density to some extent and has a barrier performance against oxygen and hydrogen. However, since the metal film is polycrystalline, hydrogen may enter from a grain boundary. Therefore, an upper electrode having a high hydrogen barrier property can be obtained by alternately and repeatedly laminating a conductive oxide film and a metal film twice or more. That is, in the second invention, a larger hydrogen barrier effect can be obtained with a thin overall film thickness than when the upper electrode is formed thick with a single metal film.
A2.前記金属膜がIr膜であり、前記導電性酸化膜がIrO2膜である、「A1.」に記載の圧電アクチュエータの上部電極。
A3.金属膜および導電性酸化膜が交互に2回繰り返し積層された構造を有している、「A2.」に記載の圧電アクチュエータの上部電極。
A4.キャビティを有する基板と、前記キャビティに対向するように前記基板に保持された可動膜と、前記可動膜における前記キャビティと反対側の表面に形成された圧電素子とを含み、前記圧電素子が、前記可動膜における前記キャビティと反対側の表面に形成された下部電極と、前記下部電極に対して前記可動膜とは反対側に配置された「A1.」〜「A3.」のいずれかに記載の上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電体膜とを含む、圧電アクチュエータ。
A2. The upper electrode of the piezoelectric actuator according to “A1.”, Wherein the metal film is an Ir film and the conductive oxide film is an IrO 2 film.
A3. The upper electrode of the piezoelectric actuator according to “A2.”, Having a structure in which metal films and conductive oxide films are alternately and repeatedly stacked twice.
A4. A substrate having a cavity; a movable film held on the substrate so as to face the cavity; and a piezoelectric element formed on a surface of the movable film opposite to the cavity; The lower electrode formed on the surface of the movable film opposite to the cavity, and any one of “A1.” To “A3.” Disposed on the opposite side of the movable film with respect to the lower electrode. A piezoelectric actuator comprising: an upper electrode; and a piezoelectric film provided between the lower electrode and the upper electrode.
この構成では、水素バリア性の高い上部電極を備えた圧電アクチュエータが得られる。これにより、圧電体膜の水素還元による特性劣化を抑制することができる。
A5.前記可動膜が、前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において矩形に形成されており、前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している、「A4.」に記載の圧電アクチュエータ。
With this configuration, a piezoelectric actuator including an upper electrode having a high hydrogen barrier property can be obtained. Thereby, characteristic deterioration due to hydrogen reduction of the piezoelectric film can be suppressed.
A5. The movable film is formed in a rectangular shape in a plan view when viewed from a normal direction with respect to a main surface of the movable film, and the piezoelectric film has a width in a short direction of the movable film in the plan view. It is a rectangle having a shorter width and a length shorter than the length in the longitudinal direction of the movable film, and both end edges and both side edges recede inward of the movable film from both end edges and both side edges of the movable film. The upper electrode is a rectangle having a width shorter than the width of the movable film in the short direction and a length shorter than the length of the movable film in the longitudinal direction in the plan view; The piezoelectric actuator according to “A4.”, Wherein both side edges recede toward the inside of the movable film from both side edges and both side edges of the movable film.
この構成では、圧電体膜および上部電極は、可動膜の周縁部上には配置されていないので、可動膜の変位を大きくすることができる。
A6.前記圧電体膜の側面全域を覆う水素バリア膜を含む、「A4.」または「A5.」に記載の圧電アクチュエータ。この構成では、圧電体膜の水素還元による特性劣化をさらに抑制することができる。
In this configuration, since the piezoelectric film and the upper electrode are not disposed on the peripheral edge of the movable film, the displacement of the movable film can be increased.
A6. The piezoelectric actuator according to “A4.” Or “A5.”, Including a hydrogen barrier film covering the entire side surface of the piezoelectric film. With this configuration, it is possible to further suppress the characteristic deterioration due to hydrogen reduction of the piezoelectric film.
A7.前記水素バリア膜が、異なる条件で成膜した少なくとも2種類のスパッタ膜を積層した構造を有する、「A6.」に記載の圧電アクチュエータ。この構成では、水素バリア膜は、特性の異なる少なくとも2種類のスパッタ膜の積層膜から構成されるので、水素バリア膜の水素バリア性を高めることができる。これにより、圧電体膜の水素還元による特性劣化をより効果的に抑制することができる。 A7. The piezoelectric actuator according to “A6.”, Wherein the hydrogen barrier film has a structure in which at least two types of sputtered films formed under different conditions are stacked. In this configuration, the hydrogen barrier film is composed of a laminated film of at least two types of sputtered films having different characteristics, so that the hydrogen barrier property of the hydrogen barrier film can be improved. Thereby, characteristic deterioration due to hydrogen reduction of the piezoelectric film can be more effectively suppressed.
A8.前記条件が、前記少なくとも2種類のスパッタ膜の成膜時の圧力である、「A7.」に記載の圧電アクチュエータ。
A9.前記少なくとも2種類のスパッタ膜が、Al2O3からなる第1スパッタ膜と、前記第1スパッタ膜とは異なる条件で成膜されたAl2O3からなる第2スパッタ膜とから構成されている、「A8.」に記載の圧電アクチュエータ。
A8. The piezoelectric actuator according to “A7.”, Wherein the condition is a pressure at the time of forming the at least two types of sputtered films.
A9. Wherein at least two types of sputtered film, and the first sputter film made of Al 2 O 3, wherein the first sputter film is composed of a second sputter film of Al 2 O 3 that are deposited under different conditions The piezoelectric actuator according to “A8.”.
A10.前記第1のスパッタ膜の成膜時の圧力が0.01Pa以上0.1Pa未満であり、前記第2のスパッタ膜の成膜時の圧力が0.1Pa以上3.0Pa以下である、「A9.」に記載の圧電アクチュエータ。
A11.前記第1のスパッタ膜の膜厚が10nm以上100nm以下であり、前記第2のスパッタ膜の膜厚が10nm以上100nm以下であり、前記第1のスパッタ膜と前記第2のスパッタ膜との膜厚の総和100nm以下である、「A9.」または「A10.」に記載の圧電アクチュエータ。
A10. The pressure at the time of forming the first sputtered film is 0.01 Pa or more and less than 0.1 Pa, and the pressure at the time of forming the second sputtered film is 0.1 Pa or more and 3.0 Pa or less, “A9 The piezoelectric actuator described in “.”.
A11. The first sputtered film has a thickness of 10 nm to 100 nm, the second sputtered film has a thickness of 10 nm to 100 nm, and a film of the first sputtered film and the second sputtered film. The piezoelectric actuator according to “A9.” Or “A10.” Having a total thickness of 100 nm or less.
A12.前記水素バリア膜が、スパッタ膜とプラズマCVD膜とを前記圧電体膜側から順に積層した構造を有する、「A6.」に記載の圧電アクチュエータ。
スパッタ膜は、良好な水素バリア性を有しているが、圧電体膜の側面に対する被覆性がさほど良くない。また、スパッタ膜は、圧電体膜の表面に凹凸がある場合にピンホールを発生しやすい。一方、プラズマCVD膜は、スパッタ膜に比べると水素バリア性は劣るが、圧電体膜の側面にまわり込やすく、ピンホールを埋める能力も高い。このため、スパッタ膜とプラズマCVD膜とが積層された構成では、水素バリア膜の厚さが同じであるとすると、水素バリア膜をスパッタ膜のみで形成する場合に比べて、水素バリア効果を高めることができる。これにより、圧電体膜の水素還元による特性劣化をより効果的に抑制することができる。
A12. The piezoelectric actuator according to “A6.”, Wherein the hydrogen barrier film has a structure in which a sputtered film and a plasma CVD film are sequentially stacked from the piezoelectric film side.
The sputtered film has a good hydrogen barrier property, but the coverage with respect to the side surface of the piezoelectric film is not so good. Further, the sputtered film tends to generate pinholes when the surface of the piezoelectric film is uneven. On the other hand, the plasma CVD film is inferior in hydrogen barrier property to the sputtered film, but easily penetrates into the side surface of the piezoelectric film and has a high ability to fill the pinhole. For this reason, in the configuration in which the sputtered film and the plasma CVD film are laminated, if the thickness of the hydrogen barrier film is the same, the hydrogen barrier effect is enhanced as compared with the case where the hydrogen barrier film is formed only by the sputtered film. be able to. Thereby, characteristic deterioration due to hydrogen reduction of the piezoelectric film can be more effectively suppressed.
A13.前記スパッタ膜がAl2O3膜からなり、前記プラズマCVD膜がSiN膜からなる、「A12.」に記載の圧電アクチュエータ。
A14.前記スパッタ膜の膜厚が10nm以上100nm以下であり、前記プラズマCVD膜の膜厚が10nm以上100nm以下であり、前記スパッタ膜と前記プラズマCVD膜との膜厚の合計が100nm以下である、「A13.」に記載の圧電アクチュエータ。[2−2]第3発明の目的は、可動膜の変位を大きくすることができる圧電体膜利用装置を提供することである。
A13. The piezoelectric actuator according to “A12.”, Wherein the sputtered film is made of an Al 2 O 3 film, and the plasma CVD film is made of a SiN film.
A14. The film thickness of the sputtered film is 10 nm or more and 100 nm or less, the film thickness of the plasma CVD film is 10 nm or more and 100 nm or less, and the total film thickness of the sputtered film and the plasma CVD film is 100 nm or less. A13. ". [2-2] An object of the third invention is to provide a piezoelectric film utilizing apparatus capable of increasing the displacement of the movable film.
第3発明は、次のような特徴を有している。
B1.キャビティを有する基板と、前記キャビティに対向するように基板に保持された可動膜と、前記可動膜上に形成された圧電素子とを含み、前記圧電素子は、前記可動膜の前記キャビティとは反対側の表面に形成された下部電極と、前記下部電極に対して前記可動膜とは反対側に配置された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電体膜とを含んでおり、前記上部電極が、前記キャビティエッジに沿う薄膜部を有している、圧電素子利用装置。
The third invention has the following features.
B1. A substrate having a cavity; a movable film held on the substrate so as to face the cavity; and a piezoelectric element formed on the movable film, wherein the piezoelectric element is opposite to the cavity of the movable film A lower electrode formed on the surface on the side, an upper electrode disposed on the opposite side of the movable film with respect to the lower electrode, and a piezoelectric film provided between the lower electrode and the upper electrode, And the upper electrode has a thin film portion along the cavity edge.
この構成では、上部電極にはキャビティエッジに沿う薄膜部が形成されているので、上部電極が屈曲しやすくなる。これにより、圧電素子駆動時に、可動膜が反り変形しやすくなるので、可動膜の変位を大きくすることができる。
B2.前記上部電極が、前記圧電体膜上に形成された第1電極膜と、前記第1電膜上に形成され、第1電極膜とは異なる材料からなる第2電極膜とを含み、前記第2電極膜の表面に前記キャビティエッジに沿う溝が形成されており、前記上部電極における前記溝が形成されている部分が前記薄膜部を構成している、「B1.」に記載の圧電素子利用装置。
In this configuration, since the thin film portion along the cavity edge is formed on the upper electrode, the upper electrode is easily bent. Accordingly, the movable film is easily warped and deformed when the piezoelectric element is driven, so that the displacement of the movable film can be increased.
B2. The upper electrode includes a first electrode film formed on the piezoelectric film and a second electrode film formed on the first electrode film and made of a material different from the first electrode film, Use of the piezoelectric element according to “B1.”, Wherein a groove along the cavity edge is formed on a surface of the two-electrode film, and a portion of the upper electrode where the groove is formed constitutes the thin film portion. apparatus.
B3.前記溝が前記第2電極膜を貫通している、「B2.」に記載の圧電素子利用装置。
B4.前記第1電極膜の表面に、前記溝と整合する凹部が形成されている、「B3.」に記載の圧電素子利用装置。
B5.前記溝が第2電極膜を貫通していない、「B2.」に記載の圧電素子利用装置。
B3. The piezoelectric element utilization apparatus according to “B2.”, Wherein the groove penetrates the second electrode film.
B4. The piezoelectric element utilization apparatus according to “B <b> 3.”, Wherein a concave portion that matches the groove is formed on a surface of the first electrode film.
B5. The piezoelectric element utilization apparatus according to “B2.”, Wherein the groove does not penetrate the second electrode film.
B6.前記第1電極膜のヤング率が、前記第2電極膜のヤング率よりも大きい、「B2.」〜「B5.」のいずれかに記載の圧電体素子利用装置。
B7.前記第1電極膜がIrO2からなり、前記第1電極膜がIrからなる、「B2.」〜「B6.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B8.前記上部電極が金属単膜から構成されており、前記上部電極の表面に前記キャビティエッジに沿う溝が形成されており、前記上部電極における前記溝が形成されている部分が前記薄膜部を構成している、「B1.」に記載の圧電素子利用装置。
B6. The apparatus for using a piezoelectric element according to any one of “B2.” To “B5.”, Wherein a Young's modulus of the first electrode film is larger than a Young's modulus of the second electrode film.
B7. The piezoelectric element utilizing apparatus according to any one of “B2.” To “B6.”, Wherein the first electrode film is made of IrO 2 and the first electrode film is made of Ir.
B8. The upper electrode is composed of a single metal film, a groove is formed along the cavity edge on the surface of the upper electrode, and a portion of the upper electrode where the groove is formed constitutes the thin film portion. The piezoelectric element utilization apparatus described in “B1.”.
B9.前記金属単膜が、Ir膜である、「B8.」に記載の圧電素子利用装置。
B10.前記溝がストライプ状に形成されている、「B2.」〜「B9.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B11.前記溝がメッシュ状に形成されている、「B2.」〜「B9.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B9. The piezoelectric element utilization apparatus according to “B8.”, Wherein the metal single film is an Ir film.
B10. The piezoelectric element utilization apparatus according to any one of “B2.” To “B9.”, Wherein the groove is formed in a stripe shape.
B11. The piezoelectric element utilization apparatus according to any one of “B2.” To “B9.”, Wherein the groove is formed in a mesh shape.
B12.前記溝の横断面形状が矩形である、「B2.」〜「B11.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B13.前記溝の横断面形状が台形である、「B2.」〜「B11.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B14.前記溝の横断面形状がV字状である、「B2.」〜「B11.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。
B12. The piezoelectric element utilization apparatus according to any one of “B2.” To “B11.”, Wherein the groove has a rectangular cross-sectional shape.
B13. The device using a piezoelectric element according to any one of “B2.” To “B11.”, Wherein a cross-sectional shape of the groove is a trapezoid.
B14. The device using a piezoelectric element according to any one of “B2.” To “B11.”, Wherein a cross-sectional shape of the groove is V-shaped.
B15.前記キャビティが前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において矩形状に形成されており、前記可動膜が、前記平面視においてキャビティエッジと整合する矩形状に形成されており、前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、前記溝が、前記可動膜の側縁に沿って形成されている、「B2.」〜「B14.」のいずれかに記載の圧電素子利用装置。 B15. The cavity is formed in a rectangular shape in a plan view as viewed from the normal direction with respect to the main surface of the movable film, and the movable film is formed in a rectangular shape that matches the cavity edge in the plan view. The piezoelectric film is a rectangle having a width shorter than the width of the movable film in the short direction and a length shorter than the length of the movable film in the longitudinal direction in the plan view, and both end edges and both side edges thereof Are retracted inwardly of the movable film from both side edges and both side edges of the movable film, and the upper electrode has a width shorter than the width in the short direction of the movable film in the plan view, A rectangular shape having a length shorter than the length in the longitudinal direction of the movable film, and both end edges and both side edges of the movable film recede inward of the movable film from both end edges and both side edges of the movable film, and the groove Of the movable membrane Along the edges are formed, "B2." ~ Piezoelectric element using apparatus according to any one of the "B14.".
この構成では、圧電素子駆動時に、可動膜がその短手方向に反り変形しやすくなるので、可動膜の変位が大きくなる。
[2−3]第4発明の目的は、可動膜の変位を大きくすることができる圧電体膜利用装置を提供することである。
C1.キャビティを有する基板と、前記キャビティに対向するように基板に保持されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成され、圧電素子または焦電素子として機能する圧電・焦電素子と、少なくとも前記圧電・焦電素子とキャビティエッジとの間の領域において、前記メンブレンに形成された金属ラインとを含む、圧電・焦電素子利用装置。
In this configuration, when the piezoelectric element is driven, the movable film is easily warped and deformed in the short direction, so that the displacement of the movable film is increased.
[2-3] An object of the fourth invention is to provide a piezoelectric film utilizing apparatus capable of increasing the displacement of the movable film.
C1. A substrate having a cavity; a membrane held on the substrate so as to face the cavity; a piezoelectric / pyroelectric element formed on the membrane and functioning as a piezoelectric element or a pyroelectric element; and at least the piezoelectric / pyroelectric element A piezoelectric / pyroelectric device utilizing device including a metal line formed on the membrane in a region between the device and the cavity edge.
メンブレンは、一般的に硬くて脆い材料から作られているので割れやすい。この構成では、少なくとも前記圧電・焦電素子とキャビティエッジとの間の領域において、前記メンブレンに形成された金属ラインを備えている。金属ラインは、高温で形成され、その後に常温に冷却されて収縮するので、金属ラインは引っ張り応力を有することになる。つまり、金属ラインは、メンブレンに対しては収縮させる方向に力を及ぼすので、メンブレンが割れにくくなる。 Membranes are generally made of hard and brittle materials and are therefore susceptible to cracking. In this configuration, a metal line formed on the membrane is provided at least in a region between the piezoelectric / pyroelectric element and the cavity edge. Since the metal line is formed at a high temperature and then cooled to normal temperature and contracts, the metal line has a tensile stress. That is, the metal line exerts a force in the direction of contraction on the membrane, so that the membrane is difficult to break.
C2.前記圧電・焦電素子は、前記メンブレンの前記キャビティとは反対側の表面に形成された下部電極と、前記下部電極に対して前記メンブレンとは反対側に配置された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた圧電・焦電体膜とを含んでおり、
前記金属ラインが、前記下部電極と同一レイヤに形成されており、前記下部電極の一部を構成している、「C1.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。この構成では、下部電極を形成する工程において、金属ラインを形成することができる。
C2. The piezoelectric / pyroelectric element includes a lower electrode formed on a surface of the membrane opposite to the cavity, an upper electrode disposed on the opposite side of the membrane with respect to the lower electrode, and the lower electrode And a piezoelectric / pyroelectric film provided between the upper electrode and the upper electrode,
The apparatus for using a piezoelectric / pyroelectric element according to “C1.”, Wherein the metal line is formed in the same layer as the lower electrode and constitutes a part of the lower electrode. In this configuration, the metal line can be formed in the step of forming the lower electrode.
C3.前記金属ラインが、前記下部電極とは異なるレイヤに形成されている、「C1.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。
C4.前記金属ラインが、前記メンブレン内に埋め込まれている、「C3.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。
C5.前記金属ラインが、ストライプ状に形成されている、「C1.」〜「C4.」のいずれかに記載の圧電・焦電素子利用装置。
C3. The apparatus for using a piezoelectric / pyroelectric element according to “C1.”, Wherein the metal line is formed in a layer different from the lower electrode.
C4. The apparatus for using a piezoelectric / pyroelectric element according to “C3.”, Wherein the metal line is embedded in the membrane.
C5. The piezoelectric / pyroelectric element utilizing apparatus according to any one of "C1." To "C4.", Wherein the metal lines are formed in a stripe shape.
C6.前記金属ラインが、メッシュ状に形成されている、「C1.」〜「C4.」のいずれかに記載の圧電・焦電素子利用装置。
C7.前記メンブレンが可動膜であり、前記圧電・焦電素子が圧電素子であり、前記圧電・焦電体膜が圧電体膜であり、前記圧電・焦電素子利用装置がインクジェットプリントヘッドである、「C1.」〜「C5.」のいずれかに記載の圧電・焦電素子利用装置。この構成では、割れにくい可動膜を備えたインクジェットプリントヘッドが得られる。
C6. The piezoelectric / pyroelectric element utilizing apparatus according to any one of "C1." To "C4.", Wherein the metal line is formed in a mesh shape.
C7. The membrane is a movable film, the piezoelectric / pyroelectric element is a piezoelectric element, the piezoelectric / pyroelectric film is a piezoelectric film, and the piezoelectric / pyroelectric element utilization device is an inkjet printhead. C1. ”To“ C5. ”The piezoelectric / pyroelectric element utilizing device according to any one of the above. With this configuration, an ink jet print head having a movable film that is difficult to break can be obtained.
C8.前記キャビティが前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において矩形状に形成されており、前記可動膜が、前記平面視においてキャビティエッジと整合する矩形状に形成されており、前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している、「C7.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。 C8. The cavity is formed in a rectangular shape in a plan view as viewed from the normal direction with respect to the main surface of the movable film, and the movable film is formed in a rectangular shape that matches the cavity edge in the plan view. The piezoelectric film is a rectangle having a width shorter than the width of the movable film in the short direction and a length shorter than the length of the movable film in the longitudinal direction in the plan view, and both end edges and both side edges thereof Are retracted inwardly of the movable film from both side edges and both side edges of the movable film, and the upper electrode has a width shorter than the width in the short direction of the movable film in the plan view, A rectangular shape having a length shorter than the length in the longitudinal direction of the movable film, and both end edges and both side edges thereof recede from the both end edges and both side edges of the movable film to the inside of the movable film. . " Pyroelectric utilization device.
この構成では、圧電体膜および上部電極は、可動膜の周縁部上には配置されていないので、可動膜の変位を大きくすることができる。
C9.前記メンブレンが断熱膜であり、前記圧電・焦電素子が焦電素子であり、前記圧電・焦電体膜が焦電体膜であり、前記圧電・焦電素子利用装置が赤外線イメージセンサである、「C1.」または「C4.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。この構成では、割れにくい断熱膜を備えた赤外線イメージセンサが得られる。
In this configuration, since the piezoelectric film and the upper electrode are not disposed on the peripheral edge of the movable film, the displacement of the movable film can be increased.
C9. The membrane is a heat insulating film, the piezoelectric / pyroelectric element is a pyroelectric element, the piezoelectric / pyroelectric film is a pyroelectric film, and the piezoelectric / pyroelectric element utilizing device is an infrared image sensor. , "C1." Or "C4." With this configuration, an infrared image sensor having a heat insulating film that is difficult to break can be obtained.
C10.前記キャビティが、前記断熱膜の主面に対して法線方向から見た平面視において円形状に形成されており、前記金属ラインが、前記断熱膜内に埋め込まれており、前記金属ラインが、前記キャビティと同心の環状ストライプ状に形成されている、「C9.」に記載の圧電・焦電素子利用装置。
第2〜第4発明の実施の形態を、図9〜図56を参照して詳細に説明する。図9〜図56中の符号は、前述の第1発明の説明に使用した図1A〜図9中の符号とは無関係である。
C10. The cavity is formed in a circular shape in a plan view as viewed from the normal direction to the main surface of the heat insulating film, the metal line is embedded in the heat insulating film, and the metal line is The piezoelectric / pyroelectric device utilizing apparatus according to “C9.”, Which is formed in an annular stripe shape concentric with the cavity.
The second to fourth embodiments will be described in detail with reference to FIGS. The reference numerals in FIGS. 9 to 56 are irrelevant to the reference numerals in FIGS. 1A to 9 used in the description of the first invention.
図9は、第2発明が適用されたインクジェットプリントヘッドの模式的な平面図である。図10は、図9のX-X線に沿う模式的な拡大断面図である。図11は、図9のXI-XI線に沿う模式的な拡大断面図である。図12は、インクジェットプリントヘッドの模式的な斜視図である。ただし、図9および図12においては、図10および図11に符号13で示される水素バリア膜と、符号14で示される絶縁膜とが省略されている。図13は、可動膜形成層上に形成された下部電極以外の構成を取り除いて、可動膜形成層上に形成された下部電極の平面形状を示す平面図である。
FIG. 9 is a schematic plan view of an ink jet print head to which the second invention is applied. FIG. 10 is a schematic enlarged sectional view taken along line XX in FIG. FIG. 11 is a schematic enlarged sectional view taken along line XI-XI in FIG. FIG. 12 is a schematic perspective view of the ink jet print head. However, in FIGS. 9 and 12, the hydrogen barrier film indicated by
図10を参照して、インクジェットプリントヘッド1は、シリコン基板2と、インクを吐出する吐出口3aを有するノズル基板3とを備えている。シリコン基板2上には、可動膜形成層10が積層されている。シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、インク流路(インク溜まり)としての圧力室(キャビティ)5が形成されている。圧力室5は、シリコン基板2に形成されかつシリコン基板2を厚さ方向に貫通する空間部5Aと、可動膜形成層10の裏面(シリコン基板2側の表面)に形成されかつ空間部5Aに連続する凹部5Bとから構成されている。
Referring to FIG. 10, the
ノズル基板3は、たとえばシリコンプレートからなり、シリコン基板2の裏面に張り合わされ、シリコン基板2および可動膜形成層10とともに、圧力室5を区画している。ノズル基板3は、圧力室5に臨む凹部3bを有し、凹部3bの底面にインク吐出通路3cが形成されている。インク吐出通路3cは、ノズル基板3を貫通しており、圧力室5とは反対側に吐出口3aを有している。したがって、圧力室5の容積変化が生じると、圧力室5に溜められたインクは、インク吐出通路3cを通り、吐出口3aから吐出される。
The
圧力室5は、シリコン基板2の裏面側から、シリコン基板2および可動膜形成層10を掘りこんで形成されている。シリコン基板2および可動膜形成層10には、さらに、圧力室5に連通するインク供給路4(図9および図11を合わせて参照)が形成されている。インク供給路4は、圧力室5に連通しており、インク供給源であるインクタンク(たとえばインクカートリッジ)からのインクを圧力室5に導くように形成されている。
The
圧力室5は、図10の左右方向であるインク流通方向21に沿って細長く延びて形成されている。可動膜形成層10における圧力室5の天壁部分は、可動膜(メンブレン)10Aを構成している。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成された酸化シリコン(SiO2)膜からなる。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成されたシリコン(Si)層と、シリコン層上に形成され酸化シリコン(SiO2)層と、酸化シリコン層上に形成された窒化シリコン(SiN)層との積層体から構成されていてもよい。この明細書において、可動膜10Aとは、可動膜形成層10のうち圧力室5を区画している天壁部を意味している。したがって、可動膜形成層10のうち、圧力室5の天壁部以外の部分は、可動膜10Aを構成していない。
The
可動膜10Aの厚さは、たとえば、0.4μm〜2μmである。可動膜10Aが酸化シリコン膜から構成される場合は、酸化シリコン膜の厚さは1.2μm程度であってもよい。可動膜10Aが、シリコン層と酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体から構成される場合には、シリコン層、酸化シリコン層および窒化シリコン層の厚さは、それぞれ0.4μm程度であってもよい。
The thickness of the
圧力室5は、可動膜10Aと、シリコン基板2と、ノズル基板3とによって区画されており、この実施形態では、略直方体状に形成されている。圧力室5の長さはたとえば800μm程度、その幅は55μm程度であってもよい。インク供給路4は、圧力室5の長手方向一端部(この実施形態では、吐出口3aとは反対側に位置する端部)に連通するように形成されている。ノズル基板3の吐出口3aは、この実施形態では、圧力室5の長手方向に関する他端部付近に配置されている。
The
可動膜10Aの表面には、圧電素子6が配置されている。シリコン基板2と可動膜10Aと圧電素子6とによって、圧電アクチュエータが構成されている。圧電素子6は、可動膜形成層10上に形成された下部電極7と、下部電極7上に形成された圧電体膜8と、圧電体膜8上に形成された上部電極9とを備えている。言い換えれば、圧電素子6は、圧電体膜8を上部電極9および下部電極7で上下から挟むことにより構成されている。
A
下部電極7は、たとえば、Ti(チタン)層およびPt(プラチナ)層を可動膜10A側から順に積層した2層構造を有している。この他にも、Au(金)膜、Cr(クロム)層、Ni(ニッケル)層などの単膜で下部電極7を形成することもできる。下部電極7は、圧電体膜8の下面に接した主電極部7Aと、圧電体膜8の外方の領域まで延びた延長部7B(図9、図11〜図13も参照)とを有している。
The
圧電体膜8としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜8は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜8の厚さは、1μm〜5μmが好ましい。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜8の厚さと同程度か、圧電体膜の厚さの2/3程度とすることが好ましい。
As the
上部電極9は、圧電体膜8と平面視でほぼ同じ形状に形成されている。上部電極9は、この実施形態では、導電性酸化膜(たとえば、IrO2(酸化イリジウム)膜)および金属膜(たとえば、IrO2(酸化イリジウム)膜)が交互に2回繰り返し積層された4層構造を有している。
可動膜形成層10の表面、圧電素子6の表面および下部電極7の延長部7Bの表面は、水素バリア膜13によって覆われている。水素バリア膜13は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜13上には、絶縁膜14が積層されている。絶縁膜14は、たとえば、SiO2からなる。絶縁膜14上には配線15が形成されている。配線15は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなる。
The
The surface of the movable
配線15の一端部は、上部電極9の一端部の上方に配置されている。配線15と上部電極9との間において、水素バリア膜13および絶縁膜14を連続して貫通する貫通孔(コンタクト孔)16が形成されている。配線15の一端部は、貫通孔16に入り込み、貫通孔16内で上部電極9に接続されている。また、水素バリア膜13および絶縁膜14には、上部電極9の表面の中央部(上部電極9の表面における周縁部によって囲まれた部分)に相当する領域に平面視矩形状の開口17が形成されている。
One end of the
また、下部電極7の延長部7B上の所定領域に対応する位置には、水素バリア膜13および絶縁膜14を連続して貫通する開口18が形成されており、下部電極7の表面が開口18を介して露出している。この露出部分は、下部電極7を外部に接続するためのパッド部7dを構成している。可動膜形成層10の表面において、圧電素子6のインク流通方向21の上流側端よりも上流側においては、圧電素子6の上流側端に近い領域にのみ、水素バリア膜13および絶縁膜14は形成されており、それより上流側においては水素バリア膜13および絶縁膜14は形成されていない。
In addition, an
圧電素子6は、可動膜10Aを挟んで圧力室5に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子6は、可動膜10Aの圧力室5とは反対側の表面に接するように形成されている。圧力室5には、図示しないインクタンクからインク供給路4を通って供給されるインクが充填される。可動膜10Aは、圧力室5の天面部を区画していて、圧力室5に臨んでいる。可動膜10Aは、可動膜形成層10とシリコン基板2との積層体における圧力室5の周囲の部分によって支持されており、圧力室5に対向する方向(換言すれば可動膜10Aの厚さ方向)に変形可能な可撓性を有している。
The
配線15および下部電極7のパッド部7dは、駆動回路20に接続されている。駆動回路20は、シリコン基板2の圧力室5とは別の領域に形成されていてもよいし、シリコン基板2外に形成されていてもよい。駆動回路20から圧電素子6に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜8が変形する。これにより、圧電素子6とともに可動膜10Aが変形し、それによって、圧力室5の容積変化がもたらされ、圧力室5内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路3cを通って、吐出口3aから微小液滴となって吐出される。
The
図9〜図13を参照して、シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、複数の圧力室5が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の圧力室5は、それらの幅方向に微小な間隔(たとえば30μm〜350μm程度)を開けて等間隔で形成されている。各圧力室5は、平面視において、インク供給路4から吐出通路3cに向かうインク流通方向21に沿って細長く延びた長方形形状を有している。つまり、圧力室5の天面部は、インク流通方向21に沿う2つの側縁5c,5dと、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁5a,5bとを有している。インク供給路4は、圧力室5の一端部において、2つの通路に分かれて形成されており、共通インク通路19に連通している。共通インク通路19は、複数の圧力室5に対応したインク供給路4に連通しており、それらのインク供給路4に、インクタンクからのインクを供給するように形成されている。
Referring to FIGS. 9 to 13, a plurality of
圧電素子6は、インク流通方向21(可動膜10Aの長手方向と同方向)の長さが、可動膜10Aの長手方向の長さよりも短く形成されており、平面視矩形形状を有している。そして、図9に示すように、圧電素子6の短手方向に沿う両端縁6a,6bは、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の間隔d1(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。また、圧電素子6は、可動膜10Aの長手方向に直交する短手方向(シリコン基板2の主面に平行な方向)の幅が、可動膜10A(圧力室5の天面部)の当該短手方向の幅よりも狭く形成されている。そして、圧電素子6の長手方向に沿う両側縁6c,6dは、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、所定の間隔d2(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。
The
下部電極7は、図9および図13に示すように、平面視において、インク流通方向21に沿う方向に所定幅を有し、かつインク流通方向21と直交する方向に複数の圧力室5を跨いで延びた平板状であり、複数の圧電素子6に対して共用される共通電極である。下部電極7のインク流通方向21と直交する方向に沿う第1の辺7aは、平面視において、複数の圧電素子6の一方の端縁6aを結ぶ線と整合している。下部電極7の第1の辺7aに対向する第2の辺7bは、複数の圧電素子6の他方の端縁6bに対応する可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。
As shown in FIGS. 9 and 13, the
下部電極7は、圧電素子6を構成する平面視矩形状の主電極部7Aと、主電極部7Aから可動膜形成層10の表面に沿う方向に引き出され、圧力室5の天面部(可動膜10A)の周縁を跨いで圧力室5の天面部の周縁の外方に延びた延長部7Bとを含んでいる。主電極部7Aは、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、主電極部7Aは、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
The
延長部7Bは、平面視において、主電極部7Aの各側縁から圧力室5の天面部の対応する側縁5c,5dを跨いで、圧力室5の天面部の側縁5c,5dの外方に延びている。延長部7Bは、下部電極7の全領域のうちの主電極部7Aを除いた領域である。
延長部7Bには、各圧電素子6のインク流通方向21の下流側に、下部電極7を貫通する平面視矩形状の切除部7cが形成されている。各切除部7cは、平面視において、インク流通方向21に沿う2つの側縁(短辺)と、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁(長辺)とを有している。切除部7cの一方の端縁はインク流通方向21に関して圧電素子6の端縁6b(主電極部7Aの下流側の端縁)と整合する位置に配置され、他方の端縁は可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。切除部7cの一方の側縁は可動膜10Aの一方の側縁10Acよりも外側に配置され、切除部7cの他方の側縁は可動膜10Aの他方の側縁10Adよりも外側に配置されている。したがって、平面視において、可動膜10Aの端縁10Ab側の端部は切除部7cの内側に配置されている。下部電極7の第2の辺7bと複数の切除部7cとの間の領域に、インク流通方向21に直交する方向に細長い矩形状のパッド部7dが形成されている。
The
In the
図9〜図12を参照して、上部電極9は、平面視において、下部電極7の主電極部7Aと同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、上部電極9は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、上部電極9は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
9 to 12, the
圧電体膜8は、平面視において、上部電極9と同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、圧電体膜8は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、圧電体膜8は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。圧電体膜8の下面は下部電極7の主電極部7Aの上面に接しており、圧電体膜8の上面は上部電極9の下面に接している。
The
配線15は、一端部が上部電極9の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)に接続されかつ平面視において、インク流通方向21と反対方向に延びた引き出し部15Aと、引き出し部15Aと一体化し、引き出し部15Aの先端に接続された平面視矩形状のパッド部15Bとからなる。パッド部15Bは、圧電素子6の一方の端縁6aよりもインク流通方向21の上流側において、水素バリア膜13および絶縁膜14が形成されていない可動膜形成層10の表面上に形成されている。引き出し部15Aは、圧電素子6の上面の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)とそれに連なる圧電素子6の端面とそれに連なる可動膜形成層10の表面とを覆う絶縁膜14上に形成された第1部分と、第1部分からパッド部15Bまでの第2部分とを有している。第2部分は、水素バリア膜13および絶縁膜14が形成されていない可動膜形成層10の表面上に形成されている。
The
図14は、上部電極9の構造と水素バリア膜13の構造を示す拡大断面図であり、図11の切断面に対応している。
上部電極9は、導電性酸化膜であるIrO2(酸化イリジウム)膜31と、金属膜であるIr(イリジウム)膜32とが交互に2回繰り返し積層された構造を有している。具体的には、上部電極9は、IrO2膜31、Ir膜32、IrO2膜31およびIr膜32を圧電体膜8側から順に積層した4層構造を有している。各IrO2膜31の膜厚は、たとえば20nmであり、各Ir膜32の膜厚は、たとえば10nmである。
FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of the
The
水素バリア膜13は、異なる条件で成膜した2種類の2種類のスパッタ膜41,42からなる。具体的には、水素バリア膜13は、下層側の第1スパッタ膜41と上層側の第2スパッタ膜42とを積層した2層構造を有している。この実施形態では、第1スパッタ膜41および第2スパッタ膜42は、共にAl2O3(アルミナ)のスパッタ膜からなる。第1スパッタ膜41および第2スパッタ膜42は、TiO膜(二酸化チタン膜)であってもよく、SiN膜(シリコン窒化膜)であってもよい。
The
第1スパッタ膜41は、たとえば、0.01Pa以上0.1Pa未満の低圧条件化で成膜され、第2スパッタ膜42は、たとえば、0.1Pa以上3.0Pa以下の高圧条件化で成膜される。第1スパッタ膜41の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第2スパッタ膜42の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第1スパッタ膜41と第2スパッタ膜42との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、第1スパッタ膜41の膜厚は30nmであり、第2スパッタ膜42の膜厚は30nmであってもよい。
The first sputtered
水素バリア膜13は、異なる条件で成膜した3種類以上のスパッタ膜から構成されていてもよい。
圧電素子6を形成した後に絶縁膜14が形成されるが、絶縁膜14を形成する過程において水素が圧電体膜8に入って、圧電特性が劣化するおそれがある。
前述のインクジェットプリントヘッド1では、上部電極9は、IrO2膜31、Ir膜32、IrO2膜31およびIr膜32を圧電体膜8側から順に積層した4層構造を有しているので、上部電極をIr等の金属単膜で厚く形成するよりも、薄い全体膜厚で大きな水素バリア効果が得られる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化を抑制することができる。この理由について説明する。導電性酸化膜であるIrO2膜は、水素が入ってくると犠牲になり、Irに変化する。それにより、水素をトラップまたはブロックする機能がある。金属膜であるIr膜は、ある程度密度が高く、酸素、水素に対するバリア性能を有するが、多結晶であるため、結晶粒界(Grain boundary)から水素が入る可能性がある。そこで、導電性酸化膜であるIrO2膜と金属膜であるIr膜とを交互に2回以上繰り返し積層することにより、水素バリア性の高い上部電極が得られる。
The
Although the insulating
In the above-described
なお、導電性酸化膜として、IrO2膜の代わりに、たとえば、SrRu03(ルテニウム酸ストロンチウム)膜を用いてもよい。また、金属膜として、Ir膜の代わりに、たとえば、Pt、Au等を用いてもよい。
後述するように、絶縁膜14を形成する過程においては、圧電素子6の表面および側面は水素バリア膜13によって覆われており、この水素バリア膜13によっても圧電体膜8の水素還元による特性劣化が抑制される。特に、このインクジェットプリントヘッド1では、水素バリア膜13は、異なる条件で成膜された第1スパッタ膜41および第2スパッタ膜42を積層した2層構造を有している。第1スパッタ膜41と第2スパッタ膜42とは、異なる条件で成膜されているため、特性の異なる膜となる。つまり、水素バリア膜13は、特性の異なる2種類のスパッタ膜41,42の積層膜から構成されるので、水素バリア膜13の水素バリア性を高めることができる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化をより効果的に抑制することができる。
For example, an SrRuO 3 (strontium ruthenate) film may be used as the conductive oxide film instead of the IrO 2 film. Further, as the metal film, for example, Pt, Au or the like may be used instead of the Ir film.
As will be described later, in the process of forming the insulating
図15A〜図15Mは、前記インクジェットプリントヘッド1の製造工程の一例を示す断面図であり、図10に対応する切断面を示す。
まず、図15Aに示すように、シリコン基板2の表面に可動膜形成層10が形成される。ただし、シリコン基板2としては、最終的なシリコン基板2の厚さより厚いものが用いられる。具体的には、シリコン基板2の表面に酸化シリコン層(たとえば、1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン層と酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体で構成される場合には、シリコン基板2の表面にシリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン層上に酸化シリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン層上に窒化シリコン層(たとえば0.4μm厚)が形成される。可動膜形成層10の表面には、たとえば、Al2O3、MgO、ZrO2などの下地酸化膜が形成されてもよい。これらの下地酸化膜は、後に形成される圧電体膜8からの金属原子(たとえば、Pb)の抜け出しを防ぐ。金属電子が抜け出すと、圧電体膜8の圧電特性が悪くなるおそれがある。また、抜け出した金属原子が可動膜10Aを構成するシリコン層に混入すると可動膜10Aの耐久性が悪化するおそれがある。
15A to 15M are cross-sectional views showing an example of the manufacturing process of the
First, as shown in FIG. 15A, the movable
次に、図15Bに示すように、可動膜形成層10の上(前記下地酸化膜が形成されている場合には当該下地酸化膜の上)に、下部電極7の材料層である下部電極膜57が形成される。下部電極膜57は、たとえば、Ti膜(たとえば10nm〜40nm厚)を下層としPt膜(たとえば10nm〜400nm厚)を上層とするPt/Ti積層膜からなる。このような下部電極膜57は、スパッタ法で形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 15B, a lower electrode film that is a material layer of the
次に、図15Cに示すように、圧電体膜8の材料膜(圧電体材料膜)58が下部電極膜57上の全面に形成される。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって1μm〜5μm厚のPZT膜が形成される。このようなPZT膜は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
次に、図15Dに示すように、圧電体材料膜58の全面に上部電極9の材料である上部電極膜59が形成される。上部電極膜59は、図14に示すように、IrO2膜(たとえば20nm厚)、Ir膜(たとえば10nm厚)、IrO2膜(たとえば20nm厚)およびIr膜(たとえば10nm厚)を圧電体材料膜58側から順に積層したIr02/Ir/Ir02/Ir積層膜からなる。このような上部電極膜59は、スパッタ法で形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 15C, a material film (piezoelectric material film) 58 of the
Next, as shown in FIG. 15D, an
次に、図15Eおよび図15Fに示すように、上部電極膜59、圧電体材料膜58および下部電極膜57のパターニングが行われる。まず、図15Eに示すように、フォトグラフィによって、下部電極7のパターンのレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、上部電極膜59、圧電体材料膜58および下部電極膜57が同一パターンにエッチングされることにより、所定パターンの下部電極膜57が形成される。より詳細には、上部電極膜59はドライエッチングによってパターニングされ、圧電体材料膜58はウェットエッチングによってパターニングされ、下部電極膜57はドライエッチングによってパターニングされる。こうして、下部電極7が形成される。圧電体材料膜58のウェットエッチングに用いるエッチャントは、塩酸を主体とした酸類であってもよい。
Next, as shown in FIGS. 15E and 15F, the
次に、レジストマスクを剥離した後、フォトリソグラフィによって、圧電体膜8のパターンのレジストマスクが形成され、このレジストパターンを用いて、上部電極膜59および圧電体材料膜58が同一パターンにエッチングされる。より詳細には、上部電極膜59はドライエッチングによってパターニングされ、圧電体材料膜58はウェットエッチングによってパターニングされる。これにより、図15Fに示すように、圧電体膜8および上部電極9が形成される。これにより、下部電極の主電極部7A、圧電体膜8および上部電極9からなる圧電素子6が形成される。
Next, after removing the resist mask, a resist mask having a pattern of the
次に、図15Gに示すように、レジストマスクを剥離した後、全面を覆う水素バリア膜13が形成される。水素バリア膜13は、図14に示すように、第1スパッタ膜41を下層とし第2スパッタ膜42を上層とする積層膜からなる。第1スパッタ膜41は、たとえば、0.01Pa以上0.1Pa未満の低圧条件化で成膜され、第2スパッタ膜42は、たとえば、0.1Pa以上3.0Pa以下の高圧条件化で成膜される。第1スパッタ膜41は、たとえばAl2O3膜であり、その膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第2スパッタ膜42は、たとえばAl2O3膜であり、その膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。
Next, as shown in FIG. 15G, after removing the resist mask, a
次に、図15Hに示すように、水素バリア膜13上の全面に絶縁膜14が形成される。絶縁膜14は、SiO2膜であってもよく、その膜厚は、250nm〜1000nmであってもよい。
次に、図15Iに示すように、絶縁膜14および水素バリア膜13における圧電素子6のインク流通方向21(図10参照)の上流側の端縁よりも上流側にある部分のうち、圧電素子6の近傍部分を除く部分が除去される。同時に、絶縁膜14および水素バリア膜13の両方に、貫通孔16および開口18が形成される。
Next, as shown in FIG. 15H, an insulating
Next, as shown in FIG. 15I, the piezoelectric element in the portion of the insulating
次に、貫通孔16内を含む絶縁膜14上に、配線15を構成する配線膜が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、配線膜がパターニングされることにより、図15Jに示すように、上部電極9に接続された配線15が形成される。
次に、図15Kに示すように、絶縁膜14および水素バリア膜13における上部電極9の上面中央領域に、開口17が形成される。
Next, a wiring film constituting the
Next, as shown in FIG. 15K, an
次に、図15Lに示すように、シリコン基板2を薄くするための裏面研削が行われる。基板2が裏面から研磨されることにより、基板2が薄膜化される。たとえば、初期状態で670μm厚程度のシリコン基板2が、300μm厚程度に薄型化されてもよい。
次に、図15Mに示すように、シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体に対して、シリコン基板2の裏面からエッチング(ドライエッチングまたはウェットエッチング)を行うことによって、圧力室5、インク供給路4および共通インク通路19が形成され、同時に可動膜10Aが形成される。このエッチングの際、水素バリア膜13および可動膜形成層10の表面に形成される下地酸化膜は、圧電体膜8から金属元素(PZTの場合は、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜8の圧電特性を良好に保つ。また、前述のとおり、可動膜形成層10の表面に形成される下地酸化膜は、可動膜10Aを形成するシリコン層の耐久性の維持に寄与する。
Next, as shown in FIG. 15L, back surface grinding for thinning the
Next, as shown in FIG. 15M, by performing etching (dry etching or wet etching) from the back surface of the
この後、図15には図示しないが、ノズル基板3がシリコン基板2の裏面に張り合わされることにより、図9〜図12に示されるインクジェットプリントヘッド1が得られる。
図16は、水素バリア膜13の変形例を示す拡大断面図である。図16は、図14に対応した切断面を示している。図16において、前述の図14の各部に対応する部分には、図14と同じ符号を付して示す。
Thereafter, although not shown in FIG. 15, the
FIG. 16 is an enlarged cross-sectional view showing a modification of the
この水素バリア膜13は、スパッタ法によって成膜された下層側のスパッタ膜43とプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜された上層側のプラズマCVD膜44とを積層した積層膜から構成されている。スパッタ膜43は、スパッタ法によって成膜されたAl2O3膜からなる。プラズマCVD膜44は、プラズマCVD法によって成膜されたSiN膜(シリコン窒化膜)からなる。
The
スパッタ膜43は、良好な水素バリア性を有しているが、圧電素子6の側面(圧電体膜8の側面)に対する被覆性がさほど良くない。また、スパッタ膜43は、圧電体膜8の表面に凹凸がある場合にピンホールを発生しやすい。一方、プラズマCVD膜44は、スパッタ膜43に比べると水素バリア性は劣るが、圧電素子6の側面にまわり込やすく、ピンホールを埋める能力も高い。このため、水素バリア膜の厚さが同じである場合には、水素バリア膜をスパッタ膜のみで形成する場合に比べて、水素バリア膜をスパッタ膜とプラズマCVD膜との積層膜で形成した場合の方が、水素バリア効果を高めることができる。
The sputtered
言い換えれば、水素バリア膜をスパッタ膜とプラズマCVD膜との積層膜で形成した場合には、水素バリア膜をスパッタ膜のみで形成する場合に比べて、水素バリア膜を薄くしても、水素バリア性を保持することができる。したがって、水素バリア膜を薄くすることができるから、可動膜10Aの変位を大きくすることが可能となる。
スパッタ膜43の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。プラズマCVD膜44の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。スパッタ膜43とプラズマCVD膜44との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、スパッタ膜43の膜厚は30nmであり、プラズマCVD膜44の膜厚は30nmであってもよい。水素バリア膜13の厚さを薄くするために、スパッタ膜43の膜厚を、プラズマCVD膜44の膜厚よりも薄くしてもよい。
In other words, when the hydrogen barrier film is formed of a laminated film of a sputtered film and a plasma CVD film, the hydrogen barrier film can be made thinner even if the hydrogen barrier film is made thinner than when the hydrogen barrier film is formed of only the sputtered film. Sex can be maintained. Therefore, since the hydrogen barrier film can be thinned, the displacement of the
The film thickness of the sputtered
図17は、水素バリア膜13の他の変形例を示す拡大断面図である。図17は、図14に対応した切断面を示している。図17において、前述の図14の各部に対応する部分には、図14と同じ符号を付して示す。
この水素バリア膜13は、最下層の第1スパッタ膜45と、第1スパッタ膜45とは異なる条件で成膜された中間層の第2スパッタ膜46と、最上層のプラズマCVD膜47とを積層した積層膜から構成されている。第1スパッタ膜45は、図14の第1スパッタ膜41と同じ条件で成膜されたAl2O3膜であってもよい。第2スパッタ膜46は、図14の第2スパッタ膜42と同じ条件で成膜されたAl2O3膜であってもよい。プラズマCVD膜47は、図16のプラズマCVD膜44と同様に、プラズマCVD法によって成膜されたSiN膜からなる。
FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing another modification of the
The
第1スパッタ膜45および第2スパッタ膜46膜厚は、それぞれ10nm以上100nm以下であってもよい。プラズマCVD膜47の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第1スパッタ膜45と第2スパッタ膜46とプラズマCVD膜47との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、第1スパッタ膜45、第2スパッタ膜46およびプラズマCVD膜47の膜厚は、それぞれ20nmであってもよい。
The film thickness of the first sputtered film 45 and the second sputtered
図18は、焦電型赤外線イメージセンサを示す模式的な平面図である。図19は、図18のXIX-XIX線に沿う断面図である。
焦電型赤外線イメージセンサ101は、赤外線による温度変化によって焦電体の表面電荷が変化することを利用して、赤外線量を検出するものである。焦電型赤外線イメージセンサ101は、シリコン基板102と、シリコン基板102上に形成された断熱膜(メンブレン)103と、断熱膜103上に形成された焦電素子104とを含む。
FIG. 18 is a schematic plan view showing a pyroelectric infrared image sensor. 19 is a cross-sectional view taken along line XIX-XIX in FIG.
The pyroelectric
シリコン基板102には、焦電素子104からシリコン基板102への伝熱を防ぐためのキャビティ105が形成されている。キャビティ105は、シリコン基板102の裏面側から、シリコン基板102を掘りこんで形成されている。キャビティ105は、平面視で円形状である。キャビティ105の天面は、断熱膜103によって区画されている。断熱膜103は、キャビティ105の天面部の全域を覆い、さらにその周囲に延びて形成されている。断熱膜103は、酸化シリコン(SiO2)膜から構成されている。
In the
焦電素子104は、断熱膜103におけるキャビティ105とは反対側の表面に接して形成された下部電極111と、下部電極111上に形成された焦電体膜112と、焦電体膜112上に形成された上部電極113とを含む。
下部電極111は、たとえば、Pt膜からなる。焦電体膜112は、たとえば、PZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜からなる。上部電極113は、たとえば、Pt膜からなる。
The
The
下部電極111は、平面視で、キャビティ105の中心と同心で、キャビティ105の直径より直径が小さい円形に形成されている。焦電体膜112は、下部電極111と同じパターンに形成されている。上部電極113は、焦電体膜112と同じパターンに形成されている。
断熱膜103および焦電素子104の表面は、水素バリア膜114によって覆われている。図示されていないが、水素バリア膜114の表面には、絶縁膜が形成される。この絶縁膜が形成される過程において水素が焦電体膜112に入って、焦電特性が劣化するおそれがある。そこで、断熱膜103および焦電素子104の表面に、水素バリア膜114が形成されている。
The
The surfaces of the
焦電素子104に赤外線が照射されると、その熱によって焦電体膜112の温度が変化し、焦電体膜112の表面電荷が変化する。焦電体膜112の表面電荷の変化が、下部電極111および上部電極113を介して取り出される。これにより、赤外線の光量を検出できる。なお、図18および図19には、説明の便宜上、下部電極111および上部電極113から、焦電体膜112の表面電荷の変化を取り出すための配線は省略されている。
When the
図20Aは、水素バリア膜114の構造を示す拡大断面図である。
水素バリア膜114は、異なる条件で成膜した2種類の2種類のスパッタ膜121,122からなる。具体的には、水素バリア膜114は、下層側の第1スパッタ膜121と上層側の第2スパッタ膜122とを積層した2層構造を有している。第1スパッタ膜121および第2スパッタ膜122は、共にAl2O3(アルミナ)のスパッタ膜からなる。第1スパッタ膜121および第2スパッタ膜122は、TiO膜(二酸化チタン膜)であってもよく、SiN膜(シリコン窒化膜)であってもよい。
FIG. 20A is an enlarged cross-sectional view showing the structure of the
The
第1スパッタ膜121は、たとえば、0.01Pa以上0.1Pa未満の低圧条件化で成膜され、第2スパッタ膜122は、たとえば、0.1Pa以上3.0Pa以下の高圧条件化で成膜される。第1スパッタ膜121の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第2スパッタ膜122の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第1スパッタ膜121と第2スパッタ膜122との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、第1スパッタ膜121の膜厚は30nmであり、第2スパッタ膜122の膜厚は30nmであってもよい。このように、特性の異なる2種類のスパッタ膜121,122が積層されることによって水素バリア膜114が構成されているので、水素バリア膜114の水素バリア性を高めることができる。これにより、焦電体膜112の水素還元による特性劣化をより効果的に抑制することができる。
The first sputtered
図20Bは、水素バリア膜114の変形例を示す拡大断面図である。
この水素バリア膜114は、スパッタ法によって成膜された下層側のスパッタ膜123とプラズマCVD法によって成膜された上層側のプラズマCVD膜124とを積層した積層膜から構成されている。スパッタ膜123は、スパッタ法によって成膜されたAl2O3膜からなる。プラズマCVD膜124は、プラズマCVD法によって成膜されたSiN膜(シリコン窒化膜)からなる。
FIG. 20B is an enlarged cross-sectional view showing a modification of the
The
スパッタ膜123は、良好な水素バリア性を有しているが、焦電素子104の側面(焦電体膜112の外周面)に対する被覆性がさほど良くない。また、スパッタ膜123は、焦電体膜112の表面に凹凸がある場合にピンホールを発生しやすい。一方、プラズマCVD膜124は、スパッタ膜123に比べると水素バリア性は劣るが、焦電素子104の外周面にまわり込やすく、ピンホールを埋める能力も高い。このため、水素バリア膜の厚さが同じである場合には、水素バリア膜をスパッタ膜のみで形成する場合に比べて、水素バリア膜をスパッタ膜とプラズマCVD膜との積層膜で形成した場合の方が、水素バリア効果を高めることができる。
Although the sputtered film 123 has a good hydrogen barrier property, the coverage with respect to the side surface of the pyroelectric element 104 (the outer peripheral surface of the pyroelectric film 112) is not so good. In addition, the sputtered film 123 is likely to generate pinholes when the surface of the
スパッタ膜123の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。プラズマCVD膜124の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。スパッタ膜123とプラズマCVD膜124との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、スパッタ膜123の膜厚は30nmであり、プラズマCVD膜124の膜厚は30nmであってもよい。
The film thickness of the sputtered film 123 may be 10 nm or more and 100 nm or less. The film thickness of the
図20Cは、水素バリア膜114の他の変形例を示す拡大断面図である。
この水素バリア膜114は、最下層の第1スパッタ膜125と、第1スパッタ膜125とは異なる条件で成膜された中間層の第2スパッタ膜126と、最上層のプラズマCVD膜127とを積層した積層膜から構成されている。第1スパッタ膜125は、図20Aの第1スパッタ膜121と同じ条件で成膜されたAl2O3膜であってもよい。第2スパッタ膜126は、図20Aの第2スパッタ膜122と同じ条件で成膜されたAl2O3膜であってもよい。プラズマCVD膜127は、図20BのプラズマCVD膜124と同様に、プラズマCVD法によって成膜されたSiN膜からなる。
FIG. 20C is an enlarged cross-sectional view showing another modification of the
The
第1スパッタ膜125および第2スパッタ膜126膜厚は、それぞれ10nm以上100nm以下であってもよい。プラズマCVD膜127の膜厚は、10nm以上100nm以下であってもよい。第1スパッタ膜125と第2スパッタ膜126とプラズマCVD膜127との膜厚の総和は、100nm以下であってもよい。たとえば、第1スパッタ膜125、第2スパッタ膜126およびプラズマCVD膜127の膜厚は、それぞれ20nmであってもよい。
The film thickness of the first sputtered
図21は、第3および第4発明が適用されたインクジェットプリントヘッドを示す模式的な平面図である。図22は、図21のXXII-XXII線に沿う模式的な拡大断面図である。図23は、図21のXXIII-XXIII線に沿う模式的な拡大断面図である。図24は、インクジェットプリントヘッドの模式的な斜視図である。ただし、図21および図24においては、図22および図23に符号13で示される水素バリア膜と、符号14で示される絶縁膜とが省略されている。図25は、可動膜形成層上に形成された下部電極以外の構成を取り除いて、可動膜形成層上に形成された下部電極の平面形状を示す平面図である。図26は、上部電極の構造を示す拡大斜視図である。
FIG. 21 is a schematic plan view showing an ink jet print head to which the third and fourth inventions are applied. FIG. 22 is a schematic enlarged sectional view taken along line XXII-XXII in FIG. FIG. 23 is a schematic enlarged sectional view taken along line XXIII-XXIII in FIG. FIG. 24 is a schematic perspective view of the ink jet print head. However, in FIGS. 21 and 24, the hydrogen barrier film indicated by
図22を参照して、インクジェットプリントヘッド1Aは、シリコン基板2と、インクを吐出する吐出口3aを有するノズル基板3とを備えている。シリコン基板2上には、可動膜形成層10が積層されている。シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、インク流路(インク溜まり)としての圧力室(キャビティ)5が形成されている。圧力室5は、シリコン基板2に形成されかつシリコン基板2を厚さ方向に貫通する空間部5Aと、可動膜形成層10の裏面(シリコン基板2側の表面)に形成されかつ空間部5Aに連続する凹部5Bとから構成されている。
Referring to FIG. 22, the
ノズル基板3は、たとえばシリコンプレートからなり、シリコン基板2の裏面に張り合わされ、シリコン基板2および可動膜形成層10とともに、圧力室5を区画している。ノズル基板3は、圧力室5に臨む凹部3bを有し、凹部3bの底面にインク吐出通路3cが形成されている。インク吐出通路3cは、ノズル基板3を貫通しており、圧力室5とは反対側に吐出口3aを有している。したがって、圧力室5の容積変化が生じると、圧力室5に溜められたインクは、インク吐出通路3cを通り、吐出口3aから吐出される。
The
圧力室5は、シリコン基板2の裏面側から、シリコン基板2および可動膜形成層10を掘りこんで形成されている。シリコン基板2および可動膜形成層10には、さらに、圧力室5に連通するインク供給路4(図21および図23を合わせて参照)が形成されている。インク供給路4は、圧力室5に連通しており、インク供給源であるインクタンク(たとえばインクカートリッジ)からのインクを圧力室5に導くように形成されている。
The
圧力室5は、図22の左右方向であるインク流通方向21に沿って細長く延びて形成されている。可動膜形成層10における圧力室5の天壁部分は、可動膜(メンブレン)10Aを構成している。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成された酸化シリコン(SiO2)膜からなる。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、シリコン基板2上に形成されたシリコン(Si)層と、シリコン層上に形成され酸化シリコン(SiO2)層と、酸化シリコン層上に形成された窒化シリコン(SiN)層との積層体から構成されていてもよい。この明細書において、可動膜10Aとは、可動膜形成層10のうち圧力室5を区画している天壁部を意味している。したがって、可動膜形成層10のうち、圧力室5の天壁部以外の部分は、可動膜10Aを構成していない。
The
可動膜10Aの厚さは、たとえば、0.4μm〜2μmである。可動膜10Aが酸化シリコン膜から構成される場合は、酸化シリコン膜の厚さは1.2μm程度であってもよい。可動膜10Aが、シリコン層と酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層体から構成される場合には、シリコン層、酸化シリコン層および窒化シリコン層の厚さは、それぞれ0.4μm程度であってもよい。
The thickness of the
圧力室5は、可動膜10Aと、シリコン基板2と、ノズル基板3とによって区画されており、この実施形態では、略直方体状に形成されている。圧力室5の長さはたとえば800μm程度、その幅は55μm程度であってもよい。インク供給路4は、圧力室5の長手方向一端部(この実施形態では、吐出口3aとは反対側に位置する端部)に連通するように形成されている。ノズル基板3の吐出口3aは、この実施形態では、圧力室5の長手方向に関する他端部付近に配置されている。
The
可動膜10Aの表面には、圧電素子6が配置されている。シリコン基板2と可動膜10Aと圧電素子6とによって、圧電アクチュエータが構成されている。圧電素子6は、可動膜形成層10上に形成された下部電極7と、下部電極7上に形成された圧電体膜8と、圧電体膜8上に形成された上部電極9とを備えている。言い換えれば、圧電素子6は、圧電体膜8を上部電極9および下部電極7で上下から挟むことにより構成されている。
A
下部電極7は、たとえば、Ti(チタン)層およびPt(プラチナ)層を可動膜10A側から順に積層した2層構造を有している。下部電極7は、圧電体膜8の下面に接した主電極部7Aと、圧電体膜8の外方の領域まで延びた延長部7B(図21、図24および図25も参照)とを有している。
圧電体膜8としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜8は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜8の厚さは、1μm〜5μmが好ましい。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜8の厚さと同程度か、圧電体膜の厚さの2/3程度とすることが好ましい。
The
As the
上部電極9は、圧電体膜8と平面視でほぼ同じ形状に形成されている。上部電極9は、この実施形態では、IrO2(酸化イリジウム)膜61およびIr(イリジウム)膜62を圧電体膜8側から順に積層した2層構造を有している。
可動膜形成層10の表面、圧電素子6の表面および下部電極7の延長部7Bの表面は、水素バリア膜13によって覆われている。水素バリア膜13は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。これにより、圧電体膜8の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜13上には、絶縁膜14が積層されている。絶縁膜14は、たとえば、SiO2からなる。絶縁膜14上には配線15が形成されている。配線15は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなる。
The
The surface of the movable
配線15の一端部は、上部電極9の一端部の上方に配置されている。配線15と上部電極9との間において、水素バリア膜13および絶縁膜14を連続して貫通する貫通孔(コンタクト孔)16が形成されている。配線15の一端部は、貫通孔16に入り込み、貫通孔16内で上部電極9に接続されている。また、水素バリア膜13および絶縁膜14には、上部電極9の表面の中央部(上部電極9の表面における周縁部によって囲まれた部分)に相当する領域に平面視矩形状の開口17が形成されている。
One end of the
また、下部電極7の延長部7B上の所定領域に対応する位置には、水素バリア膜13および絶縁膜14を連続して貫通する開口18が形成されており、下部電極7の表面が開口18を介して露出している。この露出部分は、下部電極7を外部に接続するためのパッド部7dを構成している。可動膜形成層10の表面において、圧電素子6のインク流通方向21の上流側端よりも上流側においては、圧電素子6の上流側端に近い領域にのみ、水素バリア膜13および絶縁膜14は形成されており、それより上流側においては水素バリア膜13および絶縁膜14は形成されていない。
In addition, an
圧電素子6は、可動膜10Aを挟んで圧力室5に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子6は、可動膜10Aの圧力室5とは反対側の表面に接するように形成されている。圧力室5には、図示しないインクタンクからインク供給路4を通って供給されるインクが充填される。可動膜10Aは、圧力室5の天面部を区画していて、圧力室5に臨んでいる。可動膜10Aは、可動膜形成層10とシリコン基板2との積層体における圧力室5の周囲の部分によって支持されており、圧力室5に対向する方向(換言すれば可動膜10Aの厚さ方向)に変形可能な可撓性を有している。
The
配線15および下部電極7のパッド部7dは、駆動回路20に接続されている。駆動回路20は、シリコン基板2の圧力室5とは別の領域に形成されていてもよいし、シリコン基板2外に形成されていてもよい。駆動回路20から圧電素子6に駆動電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜8が変形する。これにより、圧電素子6とともに可動膜10Aが変形し、それによって、圧力室5の容積変化がもたらされ、圧力室5内のインクが加圧される。加圧されたインクは、インク吐出通路3cを通って、吐出口3aから微小液滴となって吐出される。
The
図21〜図25を参照して、シリコン基板2と可動膜形成層10との積層体には、複数の圧力室5が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の圧力室5は、それらの幅方向に微小な間隔(たとえば30μm〜350μm程度)を開けて等間隔で形成されている。各圧力室5は、平面視において、インク供給路4から吐出通路3cに向かうインク流通方向21に沿って細長く延びた長方形形状を有している。つまり、圧力室5の天面部は、インク流通方向21に沿う2つの側縁5c,5dと、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁5a,5bとを有している。インク供給路4は、圧力室5の一端部において、2つの通路に分かれて形成されており、共通インク通路19に連通している。共通インク通路19は、複数の圧力室5に対応したインク供給路4に連通しており、それらのインク供給路4に、インクタンクからのインクを供給するように形成されている。
Referring to FIGS. 21 to 25, a plurality of
圧電素子6は、インク流通方向21(可動膜10Aの長手方向と同方向)の長さが、可動膜10Aの長手方向の長さよりも短く形成されており、平面視矩形形状を有している。そして、図21に示すように、圧電素子6の短手方向に沿う両端縁6a,6bは、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の間隔d1(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。また、圧電素子6は、可動膜10Aの長手方向に直交する短手方向(シリコン基板2の主面に平行な方向)の幅が、可動膜10A(圧力室5の天面部)の当該短手方向の幅よりも狭く形成されている。そして、圧電素子6の長手方向に沿う両側縁6c,6dは、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、所定の間隔d2(たとえば5μm)を開けて内側に配置されている。
The
下部電極7は、圧電素子6を構成する平面視矩形状の主電極部7Aと、主電極部7Aから可動膜形成層10の表面に沿う方向に引き出された延長部7Bとを含んでいる。主電極部7Aは、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、主電極部7Aは、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
The
延長部7Bは、複数の主電極部7Aにおけるインク流通方向21の下流側端部の側縁からインク流通方向21に直交する方向に引き出されるとともにインク流通方向21にも延びた共通電極部71を有している。また、延長部7Bは、共通電極部71よりもインク流通方向21の上流側において、各主電極部7Aの両側縁からインク流通方向21に直交する方向に引き出され、圧力室5の天面部(可動膜10A)の側縁10Ac,10Adを跨いで圧力室5の天面部の側縁10Ac,10Adの外方に延びた複数の直線状電極部(金属ライン)72とを有している。
The
共通電極部71は、平面視において、インク流通方向21に直交する方向に長い矩形状である。共通電極部71には、各主電極部7Aにおけるインク流通方向21の下流側に、下部電極7を貫通する平面視矩形状の切除部7cが形成されている。各切除部7cは、平面視において、インク流通方向21に沿う2つの側縁(短辺)と、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁(長辺)とを有している。切除部7cの一方の端縁はインク流通方向21に関して圧電素子6の端縁6b(主電極部7Aの下流側の端縁)と整合する位置に配置され、他方の端縁は可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。切除部7cの一方の側縁は可動膜10Aの一方の側縁10Acよりも外側に配置され、切除部7cの他方の側縁は可動膜10Aの他方の側縁10Adよりも外側に配置されている。したがって、平面視において、可動膜10Aの端縁10Ab側の端部は切除部7cの内側に配置されている。共通電極部71におけるインク流通方向21の下流側縁と複数の切除部7cとの間の領域に、インク流通方向21に直交する方向に細長い矩形状のパッド部7dが形成されている。
The
主電極部7Aの各側縁から引き出された複数の直線状電極部72bは、インク流通方向21に間隔をおいて形成されている。主電極部7Aの一方の側縁から引き出された複数の直線状電極部72と、当該主電極部7Aの他方の側縁から引き出された複数の直線状電極部72に繋がる複数の直線状電極部72とは、インク流通方向21に直交する方向に関して位置整合している。そして、隣接する主電極部7Aの対向する側縁から引き出された複数の直線状電極部72は、互いに接続されている。言い換えれば、隣接する主電極部7Aの間においては、これらの主電極部7Aの対向する側縁どうしを連結するように、複数の直線状電極部72が形成されている。つまり、下部電極7は、圧電素子6の外側の領域において、ストライプパターンに形成された複数の直線状電極部72を有している。
The plurality of linear electrode portions 72 b drawn from the side edges of the
図21〜図24および図26を参照して、上部電極9は、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61上にストライプパターンを成すように形成された複数の直線状Ir膜62とから構成されている。IrO2膜61は、平面視において、下部電極7の主電極部7Aと同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、IrO2膜61は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、IrO2膜61は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
Referring to FIGS. 21 to 24 and FIG. 26, the
複数の直線状Ir膜62は、IrO2膜61の長手方向に平行に延び、IrO2膜61の全長にわたって形成されている。Ir膜62の断面は、矩形である。上部電極9のうち直線状Ir膜62が形成されていない部分(溝部)の厚さは、直線状Ir膜62が形成されている部分の厚さに比べて薄くなっている。したがって、上部電極9は、長手方向に延びた複数の薄膜部(溝部)を有していることになる。
A plurality of
圧電体膜8は、平面視において上部電極9と同じパターンの矩形状に形成されている。すなわち、圧電体膜8は、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、圧電体膜8は、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。圧電体膜8の下面は下部電極7の主電極部7Aの上面に接しており、圧電体膜8の上面は上部電極9の下面に接している。
The
配線15は、一端部が上部電極9の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)に接続されかつ平面視において、インク流通方向21と反対方向に延びた引き出し部15Aと、引き出し部15Aと一体化し、引き出し部15Aの先端に接続された平面視矩形状のパッド部15Bとからなる。パッド部15Bは、圧電素子6の一方の端縁6aよりもインク流通方向21の上流側において、水素バリア膜13および絶縁膜14が形成されていない可動膜形成層10の表面上に形成されている。引き出し部15Aは、圧電素子6の上面の一端部(圧電素子6の一方の端縁6a側の端部)とそれに連なる圧電素子6の端面とそれに連なる可動膜形成層10の表面とを覆う絶縁膜14上に形成された第1部分と、第1部分からパッド部15Bまでの第2部分とを有している。第2部分は、水素バリア膜13および絶縁膜14が形成されていない可動膜形成層10の表面上に形成されている。
The
図21のインクジェットプリントヘッド1Aの製造工程は、前述した図9のインクジェットプリントヘッド1の製造工程(図15A〜図15M)と同様なので、その説明を省略する。
可動膜10Aにおける可動膜10Aの周縁10Aa〜10Adと圧電素子6の周縁6a〜6dとの間の環状領域(この実施形態では、インク流通方向21に長手の矩形環状領域)は、圧電素子6または圧力室5の周囲壁によって拘束されていない領域であり、大きな変形が生じる主変形領域である。つまり、可動膜10Aの周縁部は、大きな変形が生じる主変形領域である。このため、圧電素子6が駆動されると、可動膜10Aの周縁部の内周縁側が圧力室5の厚さ方向(この実施形態では下方)に変位するように可動膜10Aの周縁部が屈曲し、これにより可動膜10Aの周縁部に囲まれた中央部全体が圧力室5の厚さ方向(この実施形態では下方)に変位する。この際、可動膜10Aは、その幅中央部が圧力室5の厚さ方向(この実施形態では下方)に変位するように、短手方向に反り変形する。
The manufacturing process of the ink
In the
可動膜10Aの主変形領域を可動膜10Aのみで構成すれば、可動膜10Aの変位を大きくすることができる。しかしながら、可動膜10Aは、酸化シリコン等の硬くて脆い材料であるので割れやすい。そこで、前述した図9のインクジェットプリントヘッド1のように、下部電極7を可動膜10Aの主変形領域の全域に形成すれば可動膜10Aを補強することができるが、可動膜10Aの変位が少なくなる。
If the main deformation region of the
図21のインクジェットプリントヘッド1Aでは、下部電極7は、圧電素子6の外側の領域において、ストライプパターンに形成された複数の直線状電極部(金属ライン)72を有している。金属からなる直線状電極部72は、高温で形成され、その後に常温に冷却されて収縮するので、直線状電極部72は引っ張り応力を有することになる。つまり、直線状電極部72は、可動膜10Aに対しては収縮させる方向に力を及ぼすので、可動膜10Aが割れにくくなる。また、直線状電極部72は、可動膜10Aの主変形領域の全域ではなく一部の領域に形成されているので、可動膜10Aの主変形領域の全域に下部電極を形成する場合に比べて、可動膜10Aの変位は減少しない。
In the ink
なお、複数の直線状電極部72は、圧電素子6と圧力室5のエッジ(可動膜10Aの周縁)との間において、ストライプパターンまたはメッシュパターンを成すように形成されていればよい。
また、図21のインクジェットプリントヘッド1Aでは、上部電極9は、長手方向に延びた複数の薄膜部(溝部)を有している。これにより、圧電素子6の駆動時に、可動膜10Aが短手方向に反り変形しやすくなるので、可動膜10Aの変位を大きくすることができる。また、上部電極9において直線状Ir膜62が形成されている部分(厚膜部)は、上部電極9の低抵抗化に寄与する。したがって、上部電極9の直流抵抗を下げながら、上部電極9を柔らかくし、それにより、可動膜10Aの変位を大きくし、かつ動作速度(応答性)を向上させることができる。
Note that the plurality of
In the ink
図27は、上部電極9の第1変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9は、図26に示す上部電極9と同様に、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61上にストライプ状に形成された複数の直線状Ir膜62とから構成されている。IrO2膜61からなる突状部の断面が台形である点で、図26に示す上部電極9と異なっている。
FIG. 27 is an enlarged perspective view showing a first modification of the
As in the case of the
図28は、上部電極9の第2変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Bは、図26に示す上部電極9と同様に、圧電体膜8上に形成されたIrO2膜61と、IrO2膜61上にストライプ状に形成された複数の直線状Ir膜62とから構成されている。IrO2膜61は、隣り合う直線状Ir膜62間の溝および両サイドの直線状Ir膜62の外側の溝と整合する複数の直線状溝(直線状凹部)61aを表面に有している。
FIG. 28 is an enlarged perspective view showing a second modification of the
As with the
図29は、上部電極9の第3変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Cは、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61上に形成されたIr膜62とから構成されている。Ir膜62は、IrO2膜61の表面の長手方向中間部に形成された複数の線状部分62Aと、これらの線状部分62Aの両端部に形成されたベタパターン部62Bとを有している。複数の線状部分62Aは、IrO2膜61の長手方向に平行に形成されている。つまり、複数の線状部分62Aは、ストライプ状に形成されている。各ベタパターン部62Bは、IrO2膜61の対応する端部の表面全体にIr膜62が形成されている部分である。各ベタパターン部62Bには、複数の線状部分62Aの対応する端部が連結されている。
FIG. 29 is an enlarged perspective view showing a third modification of the
The
図30は、上部電極9の第4変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Dでは、図29の上部電極9Cと同様に、Ir膜62は、IrO2膜61の表面の長手方向中間部に形成された複数の線状部分62Aと、これらの線状部分62Aの両端部に形成されたベタパターン部62Bとを有している。複数の線状部分62Aは、平面視において曲線状に形成された線状部分62Aを含んでいる点で、図29の上部電極9Cと異なっている。
FIG. 30 is an enlarged perspective view showing a fourth modification of the
In the
図31は、上部電極9の第5変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Eは、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61上に形成された複数のドット状のIr膜62とから構成されている。複数のドット状のIr膜62は、IrO2膜61の短手方向に並びかつその長手方向に延びた複数の列に整列して配置されている。
FIG. 31 is an enlarged perspective view showing a fifth modification of the
The
図32は、上部電極9の第6変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Fは、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61の表面を覆うIr膜62とから構成されている。Ir膜62の表面には、Ir膜62の長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝63が形成されている。つまり、複数の直線状の溝63は、ストライプ状に形成されている。溝63はIr膜62を貫通しておらず、溝63の底部もIr膜62によって形成されている。溝63の断面は矩形である。ただし、両サイドの2つの溝63は、上方に開口するとともに外側方にも開口している。
FIG. 32 is an enlarged perspective view showing a sixth modification of the
The
図33は、上部電極9の第7変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Gは、図32に示す上部電極9Fと同様に、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61の表面を覆うIr膜62とから構成されている。Ir膜62の表面には、Ir膜62の長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝63が形成されている。溝63の断面が台形である点で、図32に示す上部電極9Fと異なっている。
FIG. 33 is an enlarged perspective view showing a seventh modification of the
Similar to the
図34は、上部電極9の第8変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Hは、図32に示す上部電極9Fと同様に、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61の表面を覆うIr膜62とから構成されている。Ir膜62の表面には、Ir膜62の長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝63が形成されている。溝63の断面がV字状である点で、図32に示す上部電極9Fと異なっている。
FIG. 34 is an enlarged perspective view showing an eighth modification of the
Similar to the
図35は、上部電極9の第9変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Iは、図32に示す上部電極9Fと同様に、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61の表面を覆うIr膜62とから構成されている。Ir膜62の表面の長手方向中間部には、Ir膜62の長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝64が形成されている。つまり、複数の直線状の溝64は、ストライプ状に形成されている。溝64の底部もIr膜62によって形成されている。溝64の断面は矩形である。ただし、両サイドの2つの溝64は、上方に開口するとともに外側方にも開口している。Ir膜62の両端部は、溝64が形成されていないベタパターン部65に形成されている。
FIG. 35 is an enlarged perspective view showing a ninth modification of the
Similar to the
図36は、上部電極9の第10変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Jでは、図35の上部電極9Hと同様に、Ir膜62の表面の長手方向中間部には、Ir膜62の長手方向に延びた複数の線状の溝64が形成されている。Ir膜62の両端部は、溝64が形成されていないベタパターン部65に形成されている。複数の溝64は、平面視において曲線部を有する溝を含んでいる点で、図35の上部電極9Iと異なっている。
FIG. 36 is an enlarged perspective view showing a tenth modification of the
In the
図37は、上部電極9の第11変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Kは、圧電体膜8上に形成された平坦なIrO2膜61と、IrO2膜61の表面を覆うIr膜62とから構成されている。Ir膜62の表面には、溝66が格子状に形成されており、この溝66によって複数のドット状の突部67が形成されている。複数のドット状の突部67は、平面視において、IrO2膜61の短手方向に並びかつその長手方向に延びた複数の列に整列して配置されている。
FIG. 37 is an enlarged perspective view showing an eleventh modification of the
The
図38は、上部電極9の第12変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Lは、たとえば、Ir膜からなる金属単膜から構成されている。上部電極9Lの表面には、上部電極9Lの長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝91が形成されている。つまり、複数の直線状の溝91は、ストライプ状に形成されている。溝91の断面は矩形である。ただし、両サイドの2つの溝91は、上方に開口するとともに外側方にも開口している。
FIG. 38 is an enlarged perspective view showing a twelfth modification of the
The
図39は、上部電極9の第13変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Mは、図38に示す上部電極9Lと同様に、たとえば、Ir膜からなる金属単膜から構成されている。上部電極9Mの表面には、上部電極9Mの長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝91が形成されている。溝91の断面が台形である点で、図38に示す上部電極9Lと異なっている。
FIG. 39 is an enlarged perspective view showing a thirteenth modification of the
The
図40は、上部電極9の第14変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Nは、図38に示す上部電極9Lと同様に、たとえば、Ir膜からなる金属単膜から構成されている。上部電極9Nの表面には、上部電極9Nの長手方向に平行延びた複数の直線状の溝91が形成されている。溝91の断面がV字状である点で、図38に示す上部電極9Lと異なっている。
FIG. 40 is an enlarged perspective view showing a fourteenth modification of the
The
図41は、上部電極9の第15変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Oは、図38に示す上部電極9Lと同様に、たとえば、Ir膜からなる金属単膜から構成されている。上部電極9Oの表面の長手方向中間部には、上部電極9Oの長手方向に平行に延びた複数の直線状の溝92が形成されている。上部電極9Oの両端部は、溝92が形成されていないベタパターン部93に形成されている。ただし、両サイドの2つの溝92は、上方に開口するとともに外側方にも開口している。
FIG. 41 is an enlarged perspective view showing a fifteenth modification of the
The upper electrode 9O is composed of, for example, a single metal film made of an Ir film, similarly to the
図42は、上部電極9の第16変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Pでは、図41の上部電極9Oと同様に、上部電極9Pの表面の長手方向中間部には、上部電極9Pの長手方向に延びた複数の線状の溝92が形成されている。上部電極9Pの両端部は、溝92が形成されていないベタパターン部93に形成されている。複数の溝92は、平面視において曲線部を有する溝を含んでいる点において、図41の上部電極9Oと異なっている。
FIG. 42 is an enlarged perspective view showing a sixteenth modification of the
In the
図43は、上部電極9の第17変形例を示す拡大斜視図である。
この上部電極9Qは、たとえば、Ir膜からなる金属単膜から構成されている。上部電極9Qの表面には、溝94が格子状に形成されており、この溝94によって複数のドット状の突部95が形成されている。複数のドット状の突部95は、平面視において、上部電極9Qの短手方向に並びかつその長手方向に延びた複数の列に整列して配置されている。
FIG. 43 is an enlarged perspective view showing a seventeenth modification of the
The
図44は、第3および第4発明が適用されたインクジェットプリントヘッドの他の例を示す模式的な平面図である。図45は、図44のLXV-LXV線に沿う模式的な拡大断面図である。図46は、図44のLXVI-LXVI線に沿う模式的な拡大断面図である。図47は、インクジェットプリントヘッドの模式的な斜視図である。ただし、図44および図47においては、図45および図46に符号13で示される水素バリア膜と、符号14で示される絶縁膜とが省略されている。図48は、可動膜形成層上に形成された下部電極以外の構成を取り除いて、可動膜形成層上に形成された下部電極の平面形状を示す平面図である。図44〜図48において、前述の図21〜図25の各部に対応する部分には、図21〜図25と同じ参照符号を付して示す。
FIG. 44 is a schematic plan view showing another example of an ink jet print head to which the third and fourth inventions are applied. 45 is a schematic enlarged sectional view taken along line LXV-LXV in FIG. 46 is a schematic enlarged sectional view taken along line LXVI-LXVI in FIG. FIG. 47 is a schematic perspective view of an ink jet print head. However, in FIGS. 44 and 47, the hydrogen barrier film indicated by
インクジェットプリントヘッド1Bは、図21のインクジェットプリントヘッド1Aに比べて、下部電極7のパターンが異なっている。その他の点は、図21のインクジェットプリントヘッド1Aと同じである。
下部電極7は、平面視において、インク流通方向21に沿う方向に所定幅を有し、かつインク流通方向21と直交する方向に複数の圧力室5を跨いで延びた平板状であり、複数の圧電素子6に対して共用される共通電極である。下部電極7のインク流通方向21と直交する方向に沿う第1の辺7aは、平面視において、複数の圧電素子6の一方の端縁6aを結ぶ線と整合している。下部電極7の第1の辺7aに対向する第2の辺7bは、複数の圧電素子6の他方の端縁6bに対応する可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。
The ink
The
下部電極7は、圧電素子6を構成する平面視矩形状の主電極部7Aと、主電極部7Aから可動膜形成層10の表面に沿う方向に引き出された延長部7Bとを含んでいる。主電極部7Aは、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、主電極部7Aは、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。延長部7Bは、下部電極7の全領域のうちの主電極部7Aを除いた領域である。
The
延長部7Bには、各圧電素子6のインク流通方向21の下流側に、下部電極7を貫通する平面視矩形状の切除部7cが形成されている。各切除部7cは、平面視において、インク流通方向21に沿う2つの側縁(短辺)と、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁(長辺)とを有している。切除部7cの一方の端縁はインク流通方向21に関して圧電素子6の端縁6b(主電極部7Aの下流側の端縁)と整合する位置に配置され、他方の端縁は可動膜10Aの端縁10Abよりも外側(インク流通方向21の下流側)に配置されている。切除部7cの一方の側縁は可動膜10Aの一方の側縁10Acよりも外側に配置され、切除部7cの他方の側縁は可動膜10Aの他方の側縁10Adよりも外側に配置されている。したがって、平面視において、可動膜10Aの端縁10Ab側の端部は切除部7cの内側に配置されている。下部電極7の第2の辺7bと複数の切除部7cとの間の領域に、インク流通方向21に直交する方向に細長い矩形状のパッド部7dが形成されている。
In the
また、延長部7Bには、主電極部7Aの各側縁(圧電素子6の各側縁6c,6d)の外側近傍領域に、主電極部7Aの各側縁に沿って複数の切除部7eが形成されている。これらの複数の切除部7eは、主電極部7Aの長手方向に間隔をおいて形成されている。各切除部7eは、平面視で矩形状であり、インク流通方向21に沿う2つの側縁(長辺)と、インク流通方向21に直交する方向に沿う2つの端縁(短辺)とを有している。
Further, the extending
圧電素子6の一方の側縁6cの外側近傍領域に形成された各切除部7cの一方の側縁は圧電素子6の一方の側縁6cと整合する位置に配置され、他方の側縁は可動膜10Aの側縁10Acよりも外側に配置されている。圧電素子6の他方の側縁6dの外側近傍領域に形成された各切除部7eの一方の側縁は圧電素子6の他方の側縁6dと整合する位置に配置され、他方の側縁は可動膜10Aの側縁10Adよりも外側に配置されている。
One side edge of each
このような複数の切除部7eが延長部7Bに形成されているため、圧電素子6の両側縁6c,6dの外側領域では、延長部7Bは平面視でメッシュパターン(格子パターン)に形成されている。より具体的には、主電極部7Aの各側縁の外側近傍領域において、延長部7Bは、主電極部7Aの両側縁からインク流通方向21に直交する方向に引き出され、圧力室5の天面部(可動膜10A)の周縁を跨いで圧力室5の天面部の外方に延びた複数の直線状電極部73を有している。これらの直線状電極部73は、インク流通方向21に間隔をおいて平行に配置されている。したがって、複数の直線状電極部73は、ストライプ状に形成されている。
Since such a plurality of
つまり、図44のインクジェットプリントヘッド1Bでは、下部電極7は、圧電素子6の外側近傍領域において、ストライプパターンに形成された複数の直線状電極部(金属ライン)73を有している。金属からなる直線状電極部73は、高温で形成され、その後に常温に冷却されて収縮するので、直線状電極部73は引っ張り応力を有することになる。つまり、直線状電極部73は、可動膜10Aに対しては収縮させる方向に力を及ぼすので、可動膜10Aが割れにくくなる。また、直線状電極部73は、可動膜10Aの主変形領域の全域ではなく一部の領域に形成されているので、可動膜10Aの主変形領域の全域に下部電極を形成する場合に比べて、可動膜10Aの変位は減少しない。
That is, in the
なお、複数の直線状電極部73は、圧電素子6と圧力室5のエッジ(可動膜10Aの周縁)との間において、ストライプパターンまたはメッシュパターンを成すように形成されていればよい。
図44のインクジェットプリントヘッド1Bにおいて、上部電極9は、図27〜図43に示される上部電極9A〜9Qのうちの任意の1つの構造を有するものであってもよい。
The plurality of
In the
図49は、第3および第4発明が適用されたインクジェットプリントヘッドのさらに他の例を示す模式的な平面図である。図50は、図49のL-L線に沿う模式的な拡大断面図である。図51は、図49のLI-LI線に沿う模式的な拡大断面図である。図52は、インクジェットプリントヘッドの模式的な斜視図である。ただし、図49および図52においては、図50および図51に符号13で示される水素バリア膜と、符号14で示される絶縁膜とが省略されている。図53は、可動膜形成層上に形成された下部電極以外の構成を取り除いて、可動膜形成層上に形成された下部電極の平面形状を示す平面図である。図49〜図53において、前述の図21〜図25の各部に対応する部分には、図21〜図25と同じ参照符号を付して示す。
FIG. 49 is a schematic plan view showing still another example of the ink jet print head to which the third and fourth inventions are applied. FIG. 50 is a schematic enlarged sectional view taken along line LL in FIG. 51 is a schematic enlarged cross-sectional view taken along the line LI-LI in FIG. FIG. 52 is a schematic perspective view of an ink jet print head. However, in FIGS. 49 and 52, the hydrogen barrier film indicated by
このインクジェットプリントヘッド1Cは、図21のインクジェットプリントヘッド1Aに比べて、可動膜10A(可動膜形成層10)の構造と下部電極7のパターンとが異なっている。その他の点は、図21のインクジェットプリントヘッド1Aと同じである。
可動膜形成層10内には、ストライプパターンの金属膜81が埋め込まれている。ストライプパターンの金属膜81は、インク流通方向21と直交する方向(圧電素子6の幅方向)に平行な複数の直線状金属膜(金属ライン)81aから構成されている。金属膜81は、たとえば、Ti膜であってもよい。
The
A stripe-
ストライプパターンの金属膜81が埋め込まれた可動膜形成層10は、たとえば、次のようにして作成することができる。基板2上に、可動膜形成層10の材料となる第1酸化シリコン膜を形成する。次に、たとえば、スパッタ法によって、第1酸化シリコン膜の表面に金属膜81の材料からなる金属材料膜を形成する。次に、フォトグラフィによって、金属材料膜上にストライプパターンのレジストマスクが形成される。このレジストマスクをマスクとして、金属材料膜がエッチングされることにより、ストライプパターンの金属膜81が形成される。次に、第1酸化シリコン膜の表面および金属膜81の表面に、第2酸化シリコン膜を形成する。これにより、ストライプパターンの金属膜81が埋め込まれた可動膜形成層10が得られる。
The movable
下部電極7は、圧電体膜8の下面に接する平面視矩形状の主電極部7Aと、圧電体膜8の外方の領域まで延びた延長部7Bとを有している。主電極部7Aは、可動膜10Aの長手方向に沿って、可動膜10Aよりも短く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁10Aa,10Abに対して、所定の前記間隔d1を開けて内側に配置されている。また、主電極部7Aは、可動膜10Aの短手方向に沿う幅が、可動膜10Aの当該短手方向の幅よりも狭く形成されており、その両端縁は、可動膜10Aの対応する両側縁10Ac,10Adに対して、前記間隔d2を開けて内側に配置されている。
The
延長部7Bは、主電極部7Aから引き出された引出し電極部74と、複数の圧電素子6の主電極部7Aを共通接続する共通接続部75とを含んでいる。共通接続部75は、複数の圧電素子6よりも、インク流通方向21の下流側において、インク流通方向21と直交する方向に延びている。引出し電極部74は、圧電素子6におけるインク流通方向21の下流側の端縁6bの中央部付近から圧電素子6の長手方向に沿って引き出され、共通接続部75に接続されている。共通接続部75には、インク流通方向21に直交する方向に細長い矩形状のパッド部7dが形成されている。つまり、このインクジェットプリントヘッド1Cでは、圧電素子6の側縁6c,6dの外側領域には、下部電極7は形成されていない。
The
このインクジェットプリントヘッド1Cでは、圧電素子6の側縁6c,6dの外側領域には下部電極7は形成されていないが、可動膜形成層10内にはストライプパターンの金属膜81が埋め込まれている。つまり、可動膜形成層10内には、互いに平行な複数の直線状金属膜81aが埋め込まれている。直線状金属膜81aは、高温で形成され、その後に常温に冷却されて収縮するので、直線状金属膜81aは引っ張り応力を有することになる。つまり、直線状金属膜81aは、可動膜10Aに対しては収縮させる方向に力を及ぼすので、可動膜10Aが割れにくくなる。
In the ink
なお、可動膜形成層10内に埋め込まれる金属膜81は、ストライプパターンに限らず、メッシュパターン(格子パターン)であってもよい。図54に、可動膜形成層10内にメッシュパターンの金属膜81が埋め込まれている場合の例を示す。メッシュパターンの金属膜81は、インク流通方向21に直交する方向(圧電素子6の幅方向)に平行な複数の第1直線状金属膜81aと、これらの第1直線状金属膜81aと一体的に形成され、これらの第1直線状金属膜81aと直交する複数の第2直線状金属膜81bとを有する。
The
図49のインクジェットプリントヘッド1Cにおいて、上部電極9は、図27〜図43に示される上部電極9A〜9Qのうちの任意の1つの構造を有するものであってもよい。
図55は、第4発明が適用された焦電型赤外線イメージセンサの他の例を示す模式的な平面図である。図56は、図55のLVI-LVI線に沿う断面図である。
焦電型赤外線イメージセンサ131は、赤外線による温度変化によって焦電体の表面電荷が変化することを利用して、赤外線量を検出するものである。焦電型赤外線イメージセンサ131は、シリコン基板132と、シリコン基板132上に形成された断熱膜(メンブレン)133と、断熱膜133上に形成された焦電素子134とを含む。
In the
FIG. 55 is a schematic plan view showing another example of a pyroelectric infrared image sensor to which the fourth invention is applied. 56 is a cross-sectional view taken along line LVI-LVI of FIG.
The pyroelectric
シリコン基板132には、焦電素子134からシリコン基板132への伝熱を防ぐためのキャビティ135が形成されている。キャビティ135は、シリコン基板132の裏面側から、シリコン基板132を掘りこんで形成されている。キャビティ135は、平面視で円形状である。キャビティ135の天面は、断熱膜133によって区画されている。断熱膜133は、キャビティ135の天面部の全域を覆い、さらにその周囲に延びて形成されている。断熱膜133は、酸化シリコン(SiO2)膜から構成されている。
A
断熱膜133内には、環状ストライプパターンの金属膜136が埋め込まれている。環状ストライプパターンの金属膜136は、平面視でキャビティ135と同心で径の異なる複数の環状金属膜(金属ライン)136aを有している。金属膜136は、たとえば、Ti膜であってもよい。各環状金属膜136aは、高温で形成され、その後に常温に冷却されて収縮するので、各環状金属膜136aは引っ張り応力を有することになる。つまり、各環状金属膜136aは、断熱膜133に対しては収縮させる方向に力を及ぼすので、断熱膜133が割れにくくなる。
A
焦電素子134は、断熱膜133におけるキャビティ135とは反対側の表面に接して形成された下部電極141と、下部電極141上に形成された焦電体膜142と、焦電体膜142上に形成された上部電極143とを含む。
下部電極141は、たとえば、Pt膜からなる。焦電体膜142は、たとえば、PZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜からなる。上部電極143は、たとえば、Pt膜からなる。下部電極141は、平面視で、キャビティ135の中心と同心で、キャビティ135の直径より直径が小さい円形に形成されている。焦電体膜142は、下部電極141と同じパターンに形成されている。上部電極143は、焦電体膜142と同じパターンに形成されている。
The
The lower electrode 141 is made of, for example, a Pt film. The pyroelectric film 142 is made of, for example, a PZT (PbZr x Ti 1-x O 3 : lead zirconate titanate) film. The upper electrode 143 is made of, for example, a Pt film. The lower electrode 141 is formed in a circular shape that is concentric with the center of the
焦電素子144に赤外線が照射されると、その熱によって焦電体膜142の温度が変化し、焦電体膜142の表面電荷が変化する。焦電体膜142の表面電荷の変化が、下部電極141および上部電極143を介して取り出される。これにより、赤外線の光量を検出できる。なお、図55および図56には、説明の便宜上、下部電極141および上部電極143から、焦電体膜142の表面電荷の変化を取り出すための配線は省略されている。 When the pyroelectric element 144 is irradiated with infrared rays, the temperature of the pyroelectric film 142 changes due to the heat, and the surface charge of the pyroelectric film 142 changes. Changes in the surface charge of the pyroelectric film 142 are taken out via the lower electrode 141 and the upper electrode 143. Thereby, the amount of infrared light can be detected. In FIG. 55 and FIG. 56, for convenience of explanation, the wiring for extracting the change in surface charge of the pyroelectric film 142 from the lower electrode 141 and the upper electrode 143 is omitted.
以上、第2〜第4発明の実施形態について説明したが、第2〜第4発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。図9、図21、図44および図49のインクジェットプリントヘッド1〜1Cでは、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ノチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
As mentioned above, although embodiment of the 2nd-4th invention was described, the 2nd-4th invention can also be implemented in other embodiment. In the ink
また、図9、図21、図44および図49のインクジェットプリントヘッド1〜1Cでは、可動膜形成層10の裏面には、圧力室5の一部を形成する凹部5Bが形成されているが、凹部5Bは形成されていなくてもよい。この場合には、圧力室5は、シリコン基板2に形成された空間部5Aのみから構成される。
Further, in the
1 インクジェットプリントヘッド
2 シリコン基板
3a 吐出口
4 インク供給路
5 圧電室(キャビティ)
5a,5b 圧電室の天面部の両端縁
5c,5d 圧電室の天面部の両側縁
6 圧電素子
6a,6b 圧電素子の両端縁
6c,6d 圧電素子の両側縁
7 下部電極
7A 主電極部
7B 延長部
8 圧電体膜
9 上部電極
10 可動膜形成層
10A 可動膜
10Aa,10Ab 可動膜の両端縁
10Ac,10Ad 可動膜の両側縁
11 金属バリア膜
13 水素バリア膜
14 層間絶縁膜
15 配線
25 パッシベーション膜
17 開口
31 IrO2膜
32 Ir膜
DESCRIPTION OF
5a, 5b Both ends of the top surface of the
Claims (14)
前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域を覆う水素バリア膜と、
前記上部電極の上面中央に開口を有し、前記水素バリア膜に積層され、前記水素バリア膜を介して、前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域に対向する層間絶縁膜とを含む、圧電素子利用装置。 A piezoelectric element having a lower electrode, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric film;
A hydrogen barrier film covering the entire side surface of the upper electrode and the piezoelectric film;
A piezoelectric element having an opening at the center of the upper surface of the upper electrode, and an interlayer insulating film stacked on the hydrogen barrier film and facing the entire surface of the side surface of the upper electrode and the piezoelectric film through the hydrogen barrier film. Device utilization device.
前記キャビティに対向するように基板に保持された可動膜とをさらに含み、
前記圧電素子が、可動膜上に設けられている、請求項1に記載の圧電素子利用装置。 A substrate having a cavity;
A movable film held on the substrate so as to face the cavity,
The piezoelectric element utilization apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric element is provided on a movable film.
前記層間絶縁膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接続され、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線が形成されている、請求項2〜4のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。 On the piezoelectric element, a contact hole exposing a part of the upper electrode is formed in the interlayer insulating film,
5. The wiring according to claim 2, wherein one end portion is connected to the upper electrode through the contact hole and the other end portion is led out of the piezoelectric element on the interlayer insulating film. The piezoelectric element using apparatus according to claim 1.
前記可動膜が、前記平面視においてキャビティエッジと整合する矩形状に形成されており、
前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、
前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している、請求項2〜6のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。 The cavity is formed in a rectangular shape in a plan view seen from the normal direction to the main surface of the movable film,
The movable film is formed in a rectangular shape aligned with the cavity edge in the plan view;
The piezoelectric film is a rectangle having a width shorter than a width of the movable film in a short direction and a length shorter than a length of the movable film in a longitudinal direction in the plan view, and both end edges and both side edges thereof are Retreating inward of the movable film from both side edges and both side edges of the movable film,
The upper electrode is a rectangle having a width shorter than a width of the movable film in a short direction and a length shorter than a length of the movable film in a longitudinal direction in the plan view, and both end edges and both side edges of the upper electrode are The piezoelectric element utilization apparatus according to any one of claims 2 to 6, wherein the device is retracted inward of the movable film from both end edges and both side edges of the movable film.
前記可動膜および前記圧電素子の表面を覆う水素バリア膜を形成する第2工程と、
前記水素バリア膜上に層間絶縁膜を形成する第3工程と、
前記圧電素子上において、前記水素バリア膜および前記層間絶縁膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔を形成する第4工程と、
前記層間絶縁膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する第5工程と、
前記層間絶縁膜上の前記配線の存在する領域に、前記配線を被覆するパッシベーション膜を形成する第6工程と、
前記水素バリア膜および前記層間絶縁膜における前記圧電素子の上面中央部に、開口を形成する第7工程とを含む、圧電素子利用装置の製造方法。 A first step of forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric film formed on the lower electrode and an upper electrode formed on the piezoelectric film on the movable film;
A second step of forming a hydrogen barrier film covering the movable film and the surface of the piezoelectric element;
A third step of forming an interlayer insulating film on the hydrogen barrier film;
Forming a contact hole exposing a part of the upper electrode in the hydrogen barrier film and the interlayer insulating film on the piezoelectric element;
A fifth step of forming a wiring having one end in contact with the upper electrode through the contact hole and the other end led out of the piezoelectric element on the interlayer insulating film;
A sixth step of forming a passivation film covering the wiring in a region where the wiring exists on the interlayer insulating film;
And a seventh step of forming an opening in a central portion of the upper surface of the piezoelectric element in the hydrogen barrier film and the interlayer insulating film.
前記コンタクト孔内を含む前記層間絶縁膜上に配線膜を形成する工程と、
前記配線膜をパターニングすることにより、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する工程とを含む、請求項12に記載の圧電素子利用装置の製造方法。 The fifth step includes
Forming a wiring film on the interlayer insulating film including the inside of the contact hole;
And forming a wiring having one end in contact with the upper electrode through the contact hole and the other end being drawn outside the piezoelectric element by patterning the wiring film. The manufacturing method of the piezoelectric element utilization apparatus of description.
前記パッシベーション膜を、前記配線を覆う部分のみからなるパターンにパターニングする工程とを含む、請求項12または13に記載の圧電素子利用装置の製造方法。 The sixth step includes forming a passivation film covering the surface of the interlayer insulating film and the surface of the wiring on the interlayer insulating film;
14. The method for manufacturing a piezoelectric element utilizing apparatus according to claim 12, further comprising: patterning the passivation film into a pattern including only a portion covering the wiring.
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