JP4702553B2

JP4702553B2 - 液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法

Info

Publication number: JP4702553B2
Application number: JP2006037136A
Authority: JP
Inventors: 勝人島田; 学西脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007216429A

Description

本発明は液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子部分の形成方法に関する。

インクを吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題を有する。

このような圧電素子の破壊を防止すると共に圧電素子の変形を阻害しないようにするヘッド構造として、圧電素子を構成する上電極膜の上面の少なくとも周縁及び圧電体層の側面を覆うように、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは感光性ポリイミドからなる薄い耐湿保護膜を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

上記のような構造は、従来技術においては、少なくとも上電極膜及び圧電体膜を覆うように耐湿保護膜を形成した後、リード電極形成用のコンタクトホールを開口する工程と同一の工程で中抜き部をエッチングにより形成していた。

特許第３５５２０１３号

しかし、この場合には、密着性確保のための逆スパッタ処理→ＮｉＣｒ成膜→Ａｕ成膜からなるリード電極の形成における逆スパッタ処理により、コンタクトホールに露出している部分の上電極膜だけでなく中抜き部に露出している部分の上電極膜も厚み方向にある程度エッチングされてしまい、上電極膜の残りの厚みにばらつきが出るため、変位のばらつき、ひいては、ヘッドの吐出特性のばらつきの要因となっていた。

本発明はこのような事情に鑑み、密着性確保のための逆スパッタ処理→ＮｉＣｒ成膜→Ａｕ成膜からなるリード電極の形成における逆スパッタ処理において、上電極のうち、コンタクトホールに露出している部分の上電極膜だけがエッチングされる（清浄化される）液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、流路形成用基板、振動板、下電極、圧電体層及び上電極の順で積層された部材の上電極及び圧電体層を各圧力発生室毎にパターニングする工程、少なくとも該上電極及び該圧電体層を覆うように保護膜を形成する工程、該保護膜にコンタクトホールを形成する工程、該コンタクトホールに露出している部分の上電極を逆スパッタ処理し、該コンタクトホールを貫通して上電極に接続するリード電極を形成する工程、次いで、前記圧電体層の両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分となる圧電体能動部に対向する領域の前記保護膜の厚み方向の全部又は一部を除去して中抜き部を形成する工程からなることを特徴とする。
かかる第１の態様では、密着性確保のための逆スパッタ処理→ＮｉＣｒ成膜→Ａｕ成膜からなるリード電極の形成における逆スパッタ処理の段階では、上電極膜の中央部の上にある保護膜は除去されていない（中抜き部が形成されていない）ので、コンタクトホールに露出している部分の上電極膜だけがエッチングされる（清浄化される）ことになる。即ち、後工程で形成される中抜き部に相当する部分の上電極膜がエッチングされることがなく、上電極膜の厚みにばらつきが生じることがなく、変位のばらつき、ひいては、ヘッドの吐出特性のばらつきは生じない。

以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は本発明の液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法の工程を説明する概略図である。

図１（ａ）に示すように、流路形成用基板１０、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０の順で積層された部材の上電極膜８０及び圧電体層７０を各圧力発生室毎にパターニングし、少なくとも該上電極膜８０及び該圧電体層７０を覆うように保護膜１００を形成する。

次いで、図１（ｂ）に示すように、エッチングにより該保護膜１００にコンタクトホール１００ａを形成する。更に、該コンタクトホール１００ａに露出している部分の上電極膜８０を逆スパッタ処理する。次に、図１（ｃ）に示すように、ＮｉＣｒ成膜→Ａｕ成膜により該コンタクトホール１００ａを貫通して上電極膜８０に接続するリード電極９０を形成する。その後、該上電極膜８０の中央部の上にある該保護膜１００をエッチングにより除去して中抜き部１０１を形成して、液体噴射ヘッドの圧電素子部分３００を形成する。ここで、中抜き部１０１は、保護膜１００の膜厚を全て除去するもののみではなく、膜厚の一部を除去して薄膜とする場合も「中抜き部」と称する。

図２は、本発明の液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法により形成された圧電素子を含むインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、後述するマスク膜５２を介して接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。

一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが、例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等からなり厚さが、例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが、例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが、例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが、例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。

ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。例えば、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としても良い。

圧電素子３００を構成する下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０（圧電体能動部３２０）は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜１００によって覆われている。具体的には、保護膜１００は圧電体層７０の側面と上電極膜８０の上面の周縁を覆うように設けられている。すなわち、上電極膜８０の上面の主要部には、保護膜１００が存在しないか、圧電体層７０の側面と上電極膜８０の上面の周縁を覆うように設けられている保護膜よりも薄い膜厚の保護膜が存在している中抜き部１０１が設けられている。

このように圧電素子３００を保護膜１００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜１００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）、酸化タンタル（ＴａＯ_x）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_x）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯ_x）、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いるのが好ましい。保護膜１００の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、保護膜１００の膜厚を１００ｎｍ程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。

また、保護膜１００に中抜き部１０１を設けることにより、圧電素子３００（圧電体能動部３２０）の変位を阻害することなく、インク吐出特性を良好に保持することができる。

なお、例えば、保護膜１００を複数の圧電素子３００（圧電体能動部３２０）に亘って連続して設けるようにしても、保護膜１００を各圧電素子３００毎に設けるようにして圧電素子３００と圧電素子３００との間の領域には保護膜が設けられていなくてもよい。

この保護膜１００上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、保護膜１００に設けられたコンタクトホール１００ａを貫通して一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０の端部近傍まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子を駆動する駆動回路と接続配線を介して接続されている。

また、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が、接着剤３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３２が設けられており、このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。また、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。

また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が固定されている。この駆動回路２００としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路２００とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。

保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、例えば、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１１０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１１０からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

また、これらインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図４は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図４に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上記の説明では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。さらに、本発明は、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。

本発明の液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成工程を説明する概略図である。本発明に関連する記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。本発明に関連する記録ヘッドの断面図である。本発明に関連するインクジェット式記録装置の概略図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、１００保護膜、１００ａコンタクトホール、１０１中抜き部、３００
圧電素子、３２０圧電体能動部

Claims

流路形成用基板、振動板、下電極、圧電体層及び上電極の順で積層された部材の上電極及び圧電体層を各圧力発生室毎にパターニングする工程、
少なくとも該上電極及び該圧電体層を覆うように保護膜を形成する工程、
該保護膜にコンタクトホールを形成する工程、
該コンタクトホールに露出している部分の上電極を逆スパッタ処理し、該コンタクトホールを貫通して上電極に接続するリード電極を形成する工程、
次いで、前記圧電体層の両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分となる圧電体能動部に対向する領域の前記保護膜の厚み方向の全部又は一部を除去して中抜き部を形成する工程
からなることを特徴とする液体噴射ヘッドの圧電素子部分の形成方法。