JP5038065B2 - Liquid discharge head and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

本発明は、液体を滴として吐出する吐出口に連通する液室を備え、この液室に対応して設けられた圧電体を用いた液体吐出ヘッド及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a liquid discharge head that includes a liquid chamber that communicates with a discharge port that discharges liquid as droplets and uses a piezoelectric body provided corresponding to the liquid chamber, and a method for manufacturing the liquid discharge head.

インクジェット記録装置は、カラー化が容易であり、記録品位が高く、また高速記録が可能であるという利点を有している。さらに、インクジェット記録装置は、普通紙等にも記録することができ、装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有していることよって、プリンタやファクシミリ等の画像記録装置として用いられている。   The ink jet recording apparatus has advantages that it can be easily colored, has high recording quality, and can perform high speed recording. Furthermore, the ink jet recording apparatus can be recorded on plain paper and the like, and has many excellent advantages such as easy miniaturization of the apparatus, so that it is used as an image recording apparatus such as a printer or a facsimile. .

インクジェット記録装置の一例としては、液体を吐出するオリフィスプレートを有するインクジェットヘッドが用いられているものがある。このオリフィスプレートは、液体の流路が設けられた流路基板と、流路基板の第1の面に設けられた個別液室と、個別液室から流路基板の第2の面に貫通する貫通路と、流路基板の第2の面に接着され貫通路に連通する吐出口とを備えている。   One example of an ink jet recording apparatus uses an ink jet head having an orifice plate for discharging a liquid. The orifice plate penetrates the second surface of the flow path substrate from the individual liquid chamber provided on the first surface of the flow path substrate, the individual liquid chamber provided on the first surface of the flow path substrate. A through path and a discharge port bonded to the second surface of the flow path substrate and communicating with the through path are provided.

インク滴の吐出を行うためには、個別液室内を加圧させる必要がある。その圧力発生手段としては、個別液室内に設置された発熱体によって液体を発泡させて液滴を吐出させるバブル型のものがある。また、他の圧力発生手段としては、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子によって変形させることで液滴を形成するピエゾ型のもの、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型のものが一般的に用いられている。   In order to discharge ink droplets, it is necessary to pressurize the individual liquid chambers. As the pressure generating means, there is a bubble type device in which a liquid is foamed by a heating element installed in an individual liquid chamber to discharge a droplet. Other pressure generating means include a piezo type that forms droplets by deforming a diaphragm that forms a part of an individual liquid chamber with a piezoelectric element, and deforms the diaphragm by electrostatic force. In general, an electrostatic type that discharges droplets is used.

このようなインクジェットヘッドでは、近年の画像形成の高精細化の要求に伴い、流路基板の個別液室、及び圧電素子等の圧力発生源を高密度かつ多数配列した高集積化が図られている。   In such an ink jet head, with the recent demand for higher definition of image formation, high integration is achieved by arranging a large number of pressure generating sources such as individual liquid chambers of a flow path substrate and piezoelectric elements. Yes.

これらの要求に応えるため、上述のピエゾ型のインクジェットヘッドでは、例えば振動板の全面に成膜技術によって電極や圧電体を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて個別液室に対応する電極や圧電体を加工するものが提案されている。成膜技術とフォトリソグラフィ技術を用いることによって高密度なインクジェットヘッドが実現されている。また、流路基板やオリフィスプレートにSi基板や金属部材を用いることで、流路や吐出口を高精度に形成することが可能となっている。   In order to meet these demands, in the above-described piezo-type inkjet head, for example, electrodes and piezoelectric bodies are formed on the entire surface of the diaphragm by a film formation technique, and electrodes and piezoelectric bodies corresponding to individual liquid chambers are formed using a photolithography technique. The one which processes is proposed. A high-density ink jet head is realized by using a film forming technique and a photolithography technique. Further, by using a Si substrate or a metal member for the flow path substrate or the orifice plate, the flow path or the discharge port can be formed with high accuracy.

一般的に、圧電体は、各々の個別液室に対応する位置に設けられ、個別液室の幅よりも狭い幅になるように加工されている。個別液室に対応しない領域の圧電体は膜厚分すべてが除去されている。また、これらの圧電体の加工には、近年、塩素系ガス等を用いたドライエッチング技術が導入されている。ドライエッチング法は、フッ酸や酸系の溶液でのウエットエッチング法に比べてエッチング速度やエッチング形状が制御し易く、高精度な加工が可能となっている。特許文献1には、Pt電極を有する圧電体素子の層構造をドライエッチングで加工する技術が開示されている。
特開2000−357826号公報
Generally, the piezoelectric body is provided at a position corresponding to each individual liquid chamber, and is processed to have a width narrower than the width of the individual liquid chamber. The piezoelectric material in the region not corresponding to the individual liquid chamber is completely removed by the film thickness. In addition, in recent years, dry etching technology using a chlorine-based gas or the like has been introduced for processing these piezoelectric bodies. Compared with the wet etching method using hydrofluoric acid or an acid-based solution, the dry etching method can easily control the etching rate and the etching shape, and enables high-precision processing. Patent Document 1 discloses a technique for processing a layer structure of a piezoelectric element having a Pt electrode by dry etching.
JP 2000-357826 A

しかしながら、ドライエッチング法によって圧電体を加工する際、特許文献1のように下電極がパターニングされていない構成の場合には、下電極が、エッチングの進行を止めるエッチングストップ層として機能する。このような構成で圧電体の加工を行うと、圧電体としての変位性能や機械的特性にはほとんど影響がないレベルではあるが、下電極も僅かながらエッチングされることになる。特に下電極としてPt電極を用いている場合は、圧電体の加工に用いる塩素ガスでPt電極の表面を叩いてしまい、そのPt電極の成分が、加工された圧電体の端面に付着することがある。このように、圧電体の端面に金属が付着した場合、上下電極間のショートや圧電体薄膜の破壊を引き起こす原因になる問題がある。   However, when the piezoelectric body is processed by the dry etching method, in the case where the lower electrode is not patterned as in Patent Document 1, the lower electrode functions as an etching stop layer that stops the progress of etching. When the piezoelectric body is processed with such a configuration, the lower electrode is slightly etched, although the displacement performance and mechanical characteristics of the piezoelectric body are hardly affected. In particular, when a Pt electrode is used as the lower electrode, the surface of the Pt electrode is struck with chlorine gas used for processing the piezoelectric body, and the component of the Pt electrode may adhere to the end face of the processed piezoelectric body. is there. Thus, when metal adheres to the end face of the piezoelectric body, there is a problem that causes a short circuit between the upper and lower electrodes and a breakdown of the piezoelectric thin film.

また、駆動部となる圧電体薄膜近傍の下電極が露出していた場合には、駆動中に上下電極間でショートが生じたり、電極や圧電体薄膜の破壊を招いたりする原因になる問題がある。   In addition, if the lower electrode in the vicinity of the piezoelectric thin film serving as the drive unit is exposed, there is a problem that causes a short circuit between the upper and lower electrodes during driving or causes the electrode or the piezoelectric thin film to be destroyed. is there.

そこで、本発明は、上下電極間のショートを防ぎ、圧電体膜の破損を防止することができる液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a liquid discharge head that can prevent a short circuit between upper and lower electrodes and prevent damage to a piezoelectric film, and a method for manufacturing the liquid discharge head.

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出する吐出口と連通し液体を加圧するための液室の複数と、該複数の液室の各々に対応して設けられ、該液室の側から順に積層された下電極、圧電体膜及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の液室同士の間に対応する領域に亘って前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を前記圧電体膜が覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記下電極の上に前記圧電体膜の材料膜を形成する工程と、前記圧電体膜の材料膜の、前記複数の液室同士の間に対応する領域が前記液室に対応する領域よりも膜厚が小さくなるように、前記圧電体膜の材料膜の、前記複数の液室同士の間に対応する領域をエッチングする工程と、を有する。前記形成する工程において、膜厚方向に関するエッチング速度が互いに異なる複数の圧電体膜が積層された前記材料膜を形成し、前記エッチングする工程において、前記材料膜中の前記液室側の圧電体膜をエッチングストップ層としてエッチングを行うことを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention includes a plurality of liquid chambers for pressurizing the liquid in communication with the discharge ports for discharging the liquid, and corresponding to each of the plurality of liquid chambers, A plurality of piezoelectric elements having a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode stacked in order from the liquid chamber side, and the lower electrode is provided across a corresponding region between the plurality of liquid chambers. A method of manufacturing a liquid discharge head in which the piezoelectric film covers at least the lower electrode provided in the region, the step of forming a material film of the piezoelectric film on the lower electrode, and the piezoelectric The plurality of liquids of the material film of the piezoelectric film so that a region corresponding to the space between the plurality of liquid chambers of the body film is smaller than a region corresponding to the liquid chamber. Etching a corresponding region between the chambers . In the forming step, the material film is formed by laminating a plurality of piezoelectric films having different etching rates in the film thickness direction, and in the etching step, the piezoelectric film on the liquid chamber side in the material film Etching is performed using an etching stop layer .

上述したように本発明によれば、圧電体膜の一部が下電極上に存在することによって、エッチング加工で下電極がエッチングされて圧電体膜の端面に下電極の成分が付着することを防ぐことができる。また、本発明は、下電極が圧電体膜の一部で覆われていることよって、上下電極間でのショートや圧電体膜の破壊を防ぐことができる。   As described above, according to the present invention, when a part of the piezoelectric film exists on the lower electrode, the lower electrode is etched by the etching process, and the component of the lower electrode adheres to the end face of the piezoelectric film. Can be prevented. In the present invention, since the lower electrode is covered with a part of the piezoelectric film, a short circuit between the upper and lower electrodes and the destruction of the piezoelectric film can be prevented.

以下、本発明の具体的な本実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明に係る液体吐出ヘッドは、例えば紙、布、革、不織布、OHPシート等に印刷するインクジェット記録ヘッドや、例えば基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能である。以下、代表的なインクジェット記録ヘッドについて説明する。   The liquid discharge head according to the present invention is applied to, for example, an ink jet recording head that prints on paper, cloth, leather, nonwoven fabric, an OHP sheet, or a patterning device or a coating device that attaches liquid to a solid material such as a substrate or a plate. Is possible. A typical ink jet recording head will be described below.

(第1の実施形態)
図1に示すように、本実施形態のインクジェットヘッドは、インクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレート111と、このオリフィスプレート111に接合されたSi基板101とを備えている。Si基板101は、吐出口と連通しインクを加圧するための複数の個別液室102と、各個別液室102を区切る隔壁109とを有している。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the ink jet head of this embodiment includes an orifice plate 111 having an ejection port for ejecting ink, and a Si substrate 101 bonded to the orifice plate 111. The Si substrate 101 has a plurality of individual liquid chambers 102 that communicate with the ejection ports and pressurize ink, and a partition wall 109 that separates the individual liquid chambers 102.

また、このインクジェットヘッドは、個別液室102上に形成された振動板105と、振動板105を変位させる圧力発生手段としての圧電素子とを備えている。この圧電素子は、振動板105上に設けられており、振動板105上に順に積層された下電極106、圧電体膜(以下、便宜上、「圧電体薄膜」とも称するが、本発明は「薄膜」に限定されない)107、上電極108によって形成されている。   The ink jet head also includes a diaphragm 105 formed on the individual liquid chamber 102 and a piezoelectric element as pressure generating means for displacing the diaphragm 105. The piezoelectric element is provided on the diaphragm 105. The lower electrode 106 and the piezoelectric film (hereinafter also referred to as “piezoelectric thin film” for convenience) stacked on the diaphragm 105 in order. 107), and the upper electrode 108 is formed.

そして、圧電体薄膜107は、個別液室102の中央に対応する領域と、隔壁109に対応する領域とを有し、隔壁109に対応する領域の膜厚が、個別液室102の中央に対応する領域の膜厚よりも小さくされている。換言すれば、圧電体薄膜107は、複数の個別液室102の間(液室同士の間)に対応する領域が、個別液室102に対応する領域よりも膜厚が小さくされている。また、圧電体薄膜107は、少なくとも複数の個別液室102の間に対応する領域に設けられた下電極108をすべて覆っている。   The piezoelectric thin film 107 has a region corresponding to the center of the individual liquid chamber 102 and a region corresponding to the partition 109, and the film thickness of the region corresponding to the partition 109 corresponds to the center of the individual liquid chamber 102. It is smaller than the film thickness of the region to be processed. In other words, the film thickness of the piezoelectric thin film 107 is smaller in the region corresponding to the space between the plurality of individual liquid chambers 102 (between the liquid chambers) than in the region corresponding to the individual liquid chambers 102. In addition, the piezoelectric thin film 107 covers all the lower electrodes 108 provided in a corresponding region between at least the plurality of individual liquid chambers 102.

本実施形態のインクジェットヘッドは、圧電体薄膜107の変形によって振動板105を一体的に変形させることで、個別液室102内のインクを吐出口から精度良く飛翔させる。   The ink jet head of the present embodiment causes the ink in the individual liquid chamber 102 to fly from the ejection port with high accuracy by integrally deforming the diaphragm 105 by deformation of the piezoelectric thin film 107.

以上のように構成されたインクジェットヘッドの製造方法について説明する。   A method of manufacturing the ink jet head configured as described above will be described.

図2に示すように、厚さ200μmのSi基板101を用いて個別液室102等の流路を形成する。厚さ1μmの酸化膜をエッチングマスクとして用い、Siの深堀技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。   As shown in FIG. 2, a flow path such as the individual liquid chamber 102 is formed using a Si substrate 101 having a thickness of 200 μm. Using an oxide film having a thickness of 1 μm as an etching mask, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus known as a Si deep-drilling technique is used.

まず、Si基板101の表面上に、個別液室102用のエッチングマスクを形成した後、ICPエッチングで深さ100μmの個別液室102を形成する。また、個別液室102の長手方向の長さは3mmである。   First, after forming an etching mask for the individual liquid chamber 102 on the surface of the Si substrate 101, an individual liquid chamber 102 having a depth of 100 μm is formed by ICP etching. The length of the individual liquid chamber 102 in the longitudinal direction is 3 mm.

次に、Si基板101の裏面に、ノズル連通口103及び共通液室104用のパターン用エッチングマスクをそれぞれ形成し、ICPエッチング装置を用いて深さ100μmのノズル連通口103と共通液室104をそれぞれ形成する。   Next, pattern etching masks for the nozzle communication port 103 and the common liquid chamber 104 are respectively formed on the back surface of the Si substrate 101, and the nozzle communication port 103 and the common liquid chamber 104 having a depth of 100 μm are formed using an ICP etching apparatus. Form each one.

Si基板101の加工後、個別液室102を覆うように、Si基板101の表面に振動板105を形成する。本実施形態では、振動板105としてSD2ガラス(HOYA社:登録商標)を陽極接合し、その後、研磨やウエットエッチングによって厚さ5μm程度の振動板105を形成した。   After processing the Si substrate 101, a vibration plate 105 is formed on the surface of the Si substrate 101 so as to cover the individual liquid chamber 102. In this embodiment, SD2 glass (HOYA: registered trademark) is anodically bonded as the diaphragm 105, and then the diaphragm 105 having a thickness of about 5 μm is formed by polishing or wet etching.

次に、振動板105上に下電極106として厚さ300nmのPt膜を成膜法によって形成した後、圧電体薄膜107をなす材料膜を成膜する。圧電体薄膜107としては、鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたPb(Zr,Ti)O3ペロブスカイト型酸化物(以下、PZTと称する)膜をスパッタ法で厚さ3μm程度に形成する。圧電体薄膜107が形成されたSi基板101をスパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中において700℃で焼成を行い、PZT膜を結晶化させる。このとき、良好な圧電性が得られるように、PZT膜の組成がPb(Zr;0.52,Ti;0.48)O3となるようにする。PZT膜の組成としては、必ずしも上述の組成に限定されるものではなく、他の組成でも構わない。また、PZT膜の膜厚は3μmに限定されるものではない。   Next, after forming a Pt film having a thickness of 300 nm as the lower electrode 106 on the vibration plate 105 by a film forming method, a material film forming the piezoelectric thin film 107 is formed. As the piezoelectric thin film 107, a Pb (Zr, Ti) O3 perovskite oxide (hereinafter referred to as PZT) film made of lead, titanium, and zirconium is formed to a thickness of about 3 μm by sputtering. After the Si substrate 101 on which the piezoelectric thin film 107 is formed is taken out from the sputtering apparatus, baking is performed at 700 ° C. in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT film. At this time, the composition of the PZT film is set to Pb (Zr; 0.52, Ti; 0.48) O3 so as to obtain good piezoelectricity. The composition of the PZT film is not necessarily limited to the above-described composition, and other compositions may be used. Further, the thickness of the PZT film is not limited to 3 μm.

次に、圧電体薄膜107上に、上電極108となる厚さ300nmのPt電極としてPt膜を成膜する。その後、各々の個別液室102に対応するように、圧電体薄膜107と上電極108をエッチングによって加工する。その詳細について、個別液室102を断面方向から示す図3を参照して説明する。   Next, a Pt film is formed on the piezoelectric thin film 107 as a Pt electrode having a thickness of 300 nm to be the upper electrode 108. Thereafter, the piezoelectric thin film 107 and the upper electrode 108 are processed by etching so as to correspond to the individual liquid chambers 102. The details will be described with reference to FIG. 3 showing the individual liquid chamber 102 from the cross-sectional direction.

まず、上電極108上にフォトレジストを塗布、パターニングし、BCl3等のガスで、個別液室102に対応していない領域のPt膜をドライエッチングで除去する(図3(a))。なお、BCl3を用いたドライエッチング以外にも、Arイオンミリングによって上電極108を加工してもよい。また、本実施形態では、上電極108の長手方向の長さを3mmとしたが、必ずしもこの大きさである必要はない。   First, a photoresist is applied and patterned on the upper electrode 108, and a Pt film in a region not corresponding to the individual liquid chamber 102 is removed by dry etching with a gas such as BCl 3 (FIG. 3A). In addition to dry etching using BCl 3, the upper electrode 108 may be processed by Ar ion milling. In the present embodiment, the length of the upper electrode 108 in the longitudinal direction is 3 mm, but it is not always necessary to have this size.

次に、上電極108を覆うように上電極108の幅よりも少し大きいレジスト幅で再度パターニングし、圧電体薄膜107の一部を、塩素系のガスを用いたエッチングによって除去する(図3(b))。本実施形態では、Cl2とCF4の混合ガスを用いてドライエッチングを行っている。圧電体薄膜107であるPZT膜は、エッチング速度が比較的安定しており、エッチング時間を管理することで圧電体薄膜107のエッチング量を制御することができる。本実施形態では、少なくとも隔壁109に対応する領域での圧電体薄膜107が厚さ0.5μm程度となるようエッチングを行っている。さらに、圧電体薄膜107の面内方向において、パターン形状の差に起因するエッチング速度の差をより一層少なくするために、実際の駆動に用いる両端の素子の横に余分なダミーレジストパターンが設けられてもよい。   Next, patterning is performed again with a resist width slightly larger than the width of the upper electrode 108 so as to cover the upper electrode 108, and a part of the piezoelectric thin film 107 is removed by etching using a chlorine-based gas (FIG. 3 ( b)). In this embodiment, dry etching is performed using a mixed gas of Cl 2 and CF 4. The etching rate of the PZT film which is the piezoelectric thin film 107 is relatively stable, and the etching amount of the piezoelectric thin film 107 can be controlled by managing the etching time. In the present embodiment, the etching is performed so that the piezoelectric thin film 107 at least in a region corresponding to the partition wall 109 has a thickness of about 0.5 μm. Further, in order to further reduce the difference in etching rate due to the difference in pattern shape in the in-plane direction of the piezoelectric thin film 107, an extra dummy resist pattern is provided beside the elements at both ends used for actual driving. May be.

圧電体薄膜107は、膜厚方向のすべてがエッチングで除去されておらず、下電極106上には厚さ0.5μm程度だけ残された圧電体薄膜107bが存在している。つまり、本実施形態では、下電極106を露出させて下電極106がエッチングされるようなことがない。したがって、本実施形態によれば、下電極106等の成分が圧電体薄膜107aの端面に付着することはなく、リークや破壊の発生を防ぐことができる。さらに、個別液室102近傍の下電極106は、圧電体薄膜107bで覆われていることよって、上電極108と下電極106との間でのリークの発生や圧電素子の破壊を大幅に抑えることができる。   The piezoelectric thin film 107 is not entirely removed in the film thickness direction by etching, and the piezoelectric thin film 107 b having a thickness of about 0.5 μm remains on the lower electrode 106. That is, in this embodiment, the lower electrode 106 is not exposed and the lower electrode 106 is not etched. Therefore, according to the present embodiment, components such as the lower electrode 106 do not adhere to the end surface of the piezoelectric thin film 107a, and leakage and destruction can be prevented. Further, since the lower electrode 106 in the vicinity of the individual liquid chamber 102 is covered with the piezoelectric thin film 107b, the occurrence of leakage between the upper electrode 108 and the lower electrode 106 and the destruction of the piezoelectric element are greatly suppressed. Can do.

なお、圧電体薄膜107のうち、エッチングされずに残った膜厚が3μmの圧電体薄膜107aの領域が駆動に実際に寄与する領域と考えられる。隔壁109上部には、厚さ0.5μm程度の圧電体薄膜107bが存在し、圧電体薄膜107全体としての変位を妨げる要因になると考えられる。しかし、本実施形態の場合、隔壁109の上部に対応する圧電体薄膜107bが存在しない構成、すなわち3μmの膜厚分すべてをエッチングで除去した場合と比較して、変位量は5%程度しか変わらなかった。したがって、隔壁109上部に対応する圧電体薄膜107bの厚さが0.5μm程度であれば、変位にほとんど影響を与えず、十分な変位量が得られている。   Of the piezoelectric thin film 107, the region of the piezoelectric thin film 107a having a thickness of 3 μm that remains without being etched is considered to be a region that actually contributes to driving. The piezoelectric thin film 107b having a thickness of about 0.5 μm exists above the partition wall 109, which is considered to be a factor that hinders the displacement of the piezoelectric thin film 107 as a whole. However, in the case of the present embodiment, the amount of displacement changes only by about 5% compared to the configuration in which the piezoelectric thin film 107b corresponding to the upper part of the partition wall 109 does not exist, that is, when all the film thickness of 3 μm is removed by etching. There wasn't. Therefore, if the thickness of the piezoelectric thin film 107b corresponding to the upper portion of the partition wall 109 is about 0.5 μm, the displacement is hardly affected and a sufficient amount of displacement is obtained.

さらに、隔壁109の上部の圧電体薄膜107bの膜厚に対する変位量の減少に関して検討を重ねた。その結果、圧電体薄膜107aの膜厚が3μmで、圧電体薄膜107bの膜厚が1μm、すなわち圧電体薄膜107を膜厚2μmだけエッチングで除去し1μm分だけ残した場合であっても、変位量は15%程度しか減少しなかった。圧電体薄膜107の面内におけるエッチング速度のばらつきと変位量の減少の観点から、エッチングで除去せずに残す圧電体薄膜107bの膜厚は約1μm以下であることが望ましい。   Furthermore, investigations were repeated on the reduction of the displacement with respect to the film thickness of the piezoelectric thin film 107b above the partition wall 109. As a result, even if the film thickness of the piezoelectric thin film 107a is 3 μm and the film thickness of the piezoelectric thin film 107b is 1 μm, that is, the piezoelectric thin film 107 is removed by etching by a film thickness of 2 μm and only 1 μm is left. The amount decreased only about 15%. From the viewpoint of variation in etching speed in the surface of the piezoelectric thin film 107 and a reduction in displacement, the film thickness of the piezoelectric thin film 107b that remains without being removed by etching is preferably about 1 μm or less.

なお、本実施形態の構成の場合、下電極106の取り出しは、個別液室102から離れた位置で、圧電体薄膜107を膜厚3μm分すべてエッチングして除去することで、下電極106の取り出し部が形成されている。   In the case of the configuration of the present embodiment, the lower electrode 106 is taken out by etching and removing the piezoelectric thin film 107 by a thickness of 3 μm at a position away from the individual liquid chamber 102. The part is formed.

最後に、Si基板101の裏面には、SiウエハがICPによって加工されて形成されたオリフィスプレート111や、SUS板等にパンチ加工で形成されたオリフィスプレート111が貼り合わせる。これによって、図1に示すように、圧電体薄膜107を用いたインクジェットヘッドが作製される。   Finally, on the back surface of the Si substrate 101, an orifice plate 111 formed by processing a Si wafer by ICP, or an orifice plate 111 formed by punching on a SUS plate or the like is bonded. Thereby, as shown in FIG. 1, an ink jet head using the piezoelectric thin film 107 is manufactured.

上述したように、本実施形態によれば、下電極106上に圧電体薄膜107の一部が存在することによって、エッチング加工で下電極106の一部が除去されて下電極106の成分が圧電体薄膜107の端面に付着することを防ぐことができる。また、本実施形態のインクジェットヘッドは、下電極106が絶縁体である圧電体薄膜107の一部で覆われていることよって、上下電極108,106間でのショートや圧電体薄膜107の破壊を防ぐことができる。   As described above, according to the present embodiment, since a part of the piezoelectric thin film 107 exists on the lower electrode 106, a part of the lower electrode 106 is removed by etching, and the component of the lower electrode 106 is piezoelectric. Adhering to the end surface of the body thin film 107 can be prevented. Further, in the ink jet head of this embodiment, the lower electrode 106 is covered with a part of the piezoelectric thin film 107 which is an insulator, so that the short circuit between the upper and lower electrodes 108 and 106 and the destruction of the piezoelectric thin film 107 are prevented. Can be prevented.

また、本実施形態によれば、圧電体薄膜107の膜厚方向の一部をドライエッチングによって除去することで、圧電体薄膜107を所望の形状に高精度に加工することができる。   Further, according to the present embodiment, the piezoelectric thin film 107 can be processed into a desired shape with high accuracy by removing a part of the piezoelectric thin film 107 in the film thickness direction by dry etching.

なお、本実施形態では、個別液室102の構成部材やオリフィスプレート111にSiを用いて、また振動板105の材料としてガラスを用いているが、必ずしもこれに限ったことではなく他の材料や、またその他の製造方法を用いて作製されても構わない。   In this embodiment, Si is used for the constituent member of the individual liquid chamber 102 and the orifice plate 111, and glass is used as the material of the diaphragm 105. However, the present invention is not limited to this, and other materials and Also, other production methods may be used.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態のインクジェットヘッドについて説明する。
(Second Embodiment)
Next, an ink jet head according to a second embodiment will be described.

図4に示すように、本実施形態のインクジェットヘッドは、インクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレート211と、このオリフィスプレート211に接合されたSOIウエハ201とを備えている。SOIウエハ201は、吐出口と連通しインクを加圧するための複数の個別液室と、各個別液室を区切る隔壁とを有している。   As shown in FIG. 4, the ink jet head of this embodiment includes an orifice plate 211 having an ejection port for ejecting ink, and an SOI wafer 201 joined to the orifice plate 211. The SOI wafer 201 has a plurality of individual liquid chambers that communicate with the ejection ports and pressurize the ink, and a partition that separates the individual liquid chambers.

SOIウエハ201には、圧力発生手段としての圧電素子が設けられている。この圧電素子は、SOIウエハ201上に順に積層された下電極202、圧電体薄膜203、上電極204によって形成されている。また、本実施形態では、圧電体薄膜203が、積層された圧電体薄膜上部203bと圧電体薄膜下部203aを有している。   The SOI wafer 201 is provided with a piezoelectric element as pressure generating means. This piezoelectric element is formed by a lower electrode 202, a piezoelectric thin film 203, and an upper electrode 204 that are sequentially stacked on an SOI wafer 201. In the present embodiment, the piezoelectric thin film 203 has a laminated piezoelectric thin film upper portion 203b and a piezoelectric thin film lower portion 203a.

そして、圧電体薄膜203は、個別液室の中央に対応する領域と、隔壁に対応する領域とを有し、隔壁に対応する領域に位置する圧電体薄膜下部203bの膜厚が、個別液室の中央に対応する領域に位置する圧電体薄膜上部203aの膜厚よりも小さくされている。   The piezoelectric thin film 203 has a region corresponding to the center of the individual liquid chamber and a region corresponding to the partition wall, and the film thickness of the piezoelectric thin film lower portion 203b located in the region corresponding to the partition wall is such that the individual liquid chamber has a film thickness. It is made smaller than the film thickness of the piezoelectric thin film upper part 203a located in the area | region corresponding to the center of this.

以上のように構成されたインクジェットヘッドの製造方法について説明する。   A method of manufacturing the ink jet head configured as described above will be described.

図5(a)に示すように、厚さ200μmのSOIウエハ201上に、下電極202として密着層のTiを厚さ10nm、Pt膜を厚さ200nmでそれぞれ成膜する。続いて、下電極202の上に、圧電体薄膜203を形成する。したがって、この圧電体薄膜203は、膜厚方向に関するエッチング速度が互いに異なる、圧電体薄膜下部203aと圧電体薄膜上部203bとが積層された2層の材料膜で形成される。   As shown in FIG. 5A, an adhesion layer of Ti having a thickness of 10 nm and a Pt film of 200 nm are formed as a lower electrode 202 on an SOI wafer 201 having a thickness of 200 μm. Subsequently, a piezoelectric thin film 203 is formed on the lower electrode 202. Therefore, the piezoelectric thin film 203 is formed of a two-layered material film in which the piezoelectric thin film lower portion 203a and the piezoelectric thin film upper portion 203b are stacked with different etching rates in the film thickness direction.

圧電体薄膜下部203aの形成工程では、まず図5(b)に示すように、下電極202上に、鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたPb(Zr,Ti)O3ペロブスカイト型酸化物(以下、PZTと称する)膜をスパッタ法によって厚さ0.2μmで成膜する。下電極202上にPZT膜が形成されたSOIウエハ201をスパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中において700℃で焼成を行い、結晶化された多結晶のPZT膜を形成する。このとき、良好な圧電性を得るため、PZT膜の組成がPb(Zr;0.52,Ti;0.48)O3となるようにする。PZT膜の組成としては、必ずしも上述の組成に限定されず、他の組成でも構わない。その後、図5(c)に示すように、再びPZT膜を厚さ2.8μmでスパッタ法によって成膜することで、このPZT膜を圧電体薄膜上部203bとする。   In the step of forming the piezoelectric thin film lower portion 203a, first, as shown in FIG. 5B, a Pb (Zr, Ti) O3 perovskite oxide (hereinafter referred to as “Pb (Zr, Ti) O3” oxide composed of lead, titanium, and zirconium is formed on the lower electrode 202. A film (referred to as PZT) is formed to a thickness of 0.2 μm by sputtering. After the SOI wafer 201 with the PZT film formed on the lower electrode 202 is taken out of the sputtering apparatus, it is baked at 700 ° C. in an oxygen atmosphere to form a crystallized polycrystalline PZT film. At this time, in order to obtain good piezoelectricity, the composition of the PZT film is set to Pb (Zr; 0.52, Ti; 0.48) O3. The composition of the PZT film is not necessarily limited to the above-described composition, and other compositions may be used. Thereafter, as shown in FIG. 5C, a PZT film is formed again by a sputtering method with a thickness of 2.8 μm, and this PZT film is used as the piezoelectric thin film upper portion 203b.

次に、図5(d)に示すように、圧電体薄膜上部203bの上に上電極204となるPt電極として厚さ200nmのPt膜を成膜する。また、上電極204として、Pt/Ti膜を成膜してもよい。なお、Tiは、Pt膜と圧電体薄膜上部203bとの密着層の役割を果たす。   Next, as shown in FIG. 5D, a Pt film having a thickness of 200 nm is formed as a Pt electrode to be the upper electrode 204 on the piezoelectric thin film upper portion 203b. Further, as the upper electrode 204, a Pt / Ti film may be formed. Ti serves as an adhesion layer between the Pt film and the piezoelectric thin film upper portion 203b.

その後、上電極204と圧電体薄膜203とをエッチングによって加工する。その詳細について、図6を参照して説明する。   Thereafter, the upper electrode 204 and the piezoelectric thin film 203 are processed by etching. Details thereof will be described with reference to FIG.

まず、図6(a)に示すように、上電極204上にフォトレジストを塗布、パターニングし、BCl3等のガスでPt部をドライエッチングする。BCl3を用いたドライエッチング以外にも、Arイオンミリングによって上電極204を加工してもよい。   First, as shown in FIG. 6A, a photoresist is applied and patterned on the upper electrode 204, and the Pt portion is dry-etched with a gas such as BCl 3. In addition to dry etching using BCl 3, the upper electrode 204 may be processed by Ar ion milling.

次に、図6(b)に示すように、圧電体薄膜上部203bを塩素系のガスでエッチングする。本実施形態では、上電極204で用いたフォトマスクを用いて、圧電体薄膜上部203bの幅と上電極204の幅とが同じになるようにエッチングしている。なお、圧電体薄膜上部203bをエッチングする際のフォトマスクは、上電極204を覆うように新たにレジストでパターニングして、それをフォトマスクとしてもよい。   Next, as shown in FIG. 6B, the piezoelectric thin film upper portion 203b is etched with a chlorine-based gas. In this embodiment, etching is performed using the photomask used in the upper electrode 204 so that the width of the piezoelectric thin film upper portion 203b and the width of the upper electrode 204 are the same. Note that a photomask for etching the piezoelectric thin film upper portion 203b may be newly patterned with a resist so as to cover the upper electrode 204 and used as a photomask.

圧電体薄膜上部203bのエッチング速度は比較的安定しており、エッチング時間の調整によってエッチング量を調整することができる。さらに、圧電体薄膜203をなす材料膜中において、結晶化されている圧電体薄膜下部203aのエッチング速度は、結晶化されていない圧電体薄膜上部203bのエッチング速度に比べて遅い。したがって、個別液室206側(液室側)に位置する圧電体薄膜下部203aは、エッチングストップ層としての役割を果たし、圧電体薄膜上部203bを精度良くエッチングすることができる。   The etching rate of the piezoelectric thin film upper portion 203b is relatively stable, and the etching amount can be adjusted by adjusting the etching time. Further, in the material film forming the piezoelectric thin film 203, the etching rate of the crystallized piezoelectric thin film lower part 203a is slower than the etching rate of the uncrystallized piezoelectric thin film upper part 203b. Therefore, the piezoelectric thin film lower portion 203a located on the individual liquid chamber 206 side (liquid chamber side) serves as an etching stop layer, and can accurately etch the piezoelectric thin film upper portion 203b.

続いて、再び酸素雰囲気中において700℃で焼成を行い、結晶化されていない圧電体薄膜上部203bのPZT膜を結晶化させ、多結晶のPZT膜を得る。良好な圧電性を得るため、PZT膜の組成がPb(Zr;0.52,Ti;0.48)O3となるようにする。なお、PZT膜の組成としては、必ずしも上述の組成に限定されず、他の組成でも構わない。   Subsequently, baking is performed again at 700 ° C. in an oxygen atmosphere, and the PZT film on the uncrystallized piezoelectric thin film 203b is crystallized to obtain a polycrystalline PZT film. In order to obtain good piezoelectricity, the composition of the PZT film is made to be Pb (Zr; 0.52, Ti; 0.48) O3. Note that the composition of the PZT film is not necessarily limited to the above-described composition, and other compositions may be used.

圧電体薄膜203は、膜厚方向のすべてをエッチングして除去されておらず、下電極202上に厚さ0.2μm程度の圧電体薄膜下部203aが存在している。つまり、本実施形態では、下電極202が露出されてこの下電極202がエッチングされるようなことがない。したがって、圧電体薄膜203のエッチング時に下電極202の成分が圧電体薄膜203の端面に付着し、それが原因となって上下電極204,202間でのショートが発生することはない。さらに、個別液室206近傍の下電極202は、圧電体薄膜203で覆われていることよって、上電極204と下電極202との間でのリークの発生や破壊を抑えることができる。また、圧電体薄膜203と下電極202との密着面積が広いので、圧電体薄膜203が剥がれ難い。   The piezoelectric thin film 203 is not removed by etching all in the film thickness direction, and a piezoelectric thin film lower portion 203 a having a thickness of about 0.2 μm exists on the lower electrode 202. That is, in this embodiment, the lower electrode 202 is not exposed and the lower electrode 202 is not etched. Therefore, the component of the lower electrode 202 adheres to the end face of the piezoelectric thin film 203 during the etching of the piezoelectric thin film 203, and this does not cause a short circuit between the upper and lower electrodes 204 and 202. Further, since the lower electrode 202 in the vicinity of the individual liquid chamber 206 is covered with the piezoelectric thin film 203, it is possible to suppress the occurrence or breakage of leakage between the upper electrode 204 and the lower electrode 202. Further, since the adhesion area between the piezoelectric thin film 203 and the lower electrode 202 is wide, the piezoelectric thin film 203 is difficult to peel off.

なお、本実施形態では、加工前の圧電体薄膜上部203bとして結晶化されていないPZT膜、圧電体薄膜下部203aとして結晶化されたPZT膜を用いたが、必ずしもこの構成にする必要はない。例えば圧電体薄膜上部203bとして多結晶のPZT膜、圧電体薄膜下部203aとして単結晶のPZT膜という構成や、その逆の組み合わせ、また圧電体薄膜上部203bと圧電体薄膜下部203aともに単結晶のPZT膜であっても構わない。さらに、圧電体薄膜203としては、PZT膜のみに限定されず、チタン酸バリウムや酸化亜鉛などであっても構わない。   In this embodiment, an uncrystallized PZT film is used as the piezoelectric thin film upper portion 203b before processing, and a crystallized PZT film is used as the piezoelectric thin film lower portion 203a. However, this configuration is not necessarily required. For example, the piezoelectric thin film upper portion 203b is a polycrystalline PZT film, the piezoelectric thin film lower portion 203a is a single crystal PZT film, and vice versa, or both the piezoelectric thin film upper portion 203b and the piezoelectric thin film lower portion 203a are monocrystalline PZT. It may be a film. Furthermore, the piezoelectric thin film 203 is not limited to a PZT film, and may be barium titanate, zinc oxide, or the like.

その後、図6(c)に示すように、SOIウエハ201の裏面側からSOIウエハ201の酸化膜205をエッチングストップ層としてエッチングを行い、個別液室206を形成する。エッチングには、Siの深堀技術として知られているICPエッチング装置を用いる。なお、SOIウエハ201のSi単結晶部が振動板207として機能する。   Thereafter, as shown in FIG. 6C, etching is performed from the back surface side of the SOI wafer 201 using the oxide film 205 of the SOI wafer 201 as an etching stop layer to form individual liquid chambers 206. For the etching, an ICP etching apparatus known as a Si deep trench technique is used. Note that the Si single crystal portion of the SOI wafer 201 functions as the vibration plate 207.

最後に、SOIウエハ201の裏面に、Si基板をICPによって加工して形成されたオリフィスプレート211を接合することで、図4に示すように、圧電体薄膜203を用いたインクジェットヘッドが作製される。   Finally, an inkjet head using a piezoelectric thin film 203 is manufactured as shown in FIG. 4 by bonding an orifice plate 211 formed by processing a Si substrate by ICP to the back surface of the SOI wafer 201. .

上述したように、本実施形態は、圧電体薄膜203が、膜厚方向に対するエッチング速度が異なる圧電体薄膜上部203bと圧電体薄膜下部203aとが積層されてなる。この構成によって、圧電体薄膜203をエッチング加工する際に、膜厚方向すべてをエッチングせずに途中でエッチングの進行を円滑に停止させることができる。   As described above, in the present embodiment, the piezoelectric thin film 203 is formed by stacking the piezoelectric thin film upper portion 203b and the piezoelectric thin film lower portion 203a having different etching rates in the film thickness direction. With this configuration, when the piezoelectric thin film 203 is etched, the progress of etching can be smoothly stopped without etching all of the film thickness direction.

また、本実施形態では、圧電体薄膜203は、圧電体薄膜下部203aをエッチングストップ層として、圧電体薄膜上部203bの一部がエッチングされる。これによって、圧電体薄膜上部203bと圧電体薄膜下部203aとのエッチング速度が異なることを利用して、圧電体薄膜上部203bを高精度にエッチングすることができる。   In the present embodiment, the piezoelectric thin film 203 is etched at a part of the piezoelectric thin film upper portion 203b using the piezoelectric thin film lower portion 203a as an etching stop layer. Accordingly, the piezoelectric thin film upper portion 203b can be etched with high accuracy by utilizing the fact that the etching rate of the piezoelectric thin film upper portion 203b and the piezoelectric thin film lower portion 203a are different.

また、本実施形態は、圧電体薄膜203のエッチング加工の前において、圧電体薄膜上部203bが未結晶化状態であり、圧電体薄膜下部203aが結晶化状態である。これによって、圧電体薄膜203の膜厚方向に対するエッチング速度が比較的早い部分と比較的遅い部分とが容易に形成される。   In the present embodiment, before the piezoelectric thin film 203 is etched, the piezoelectric thin film upper portion 203b is in an uncrystallized state and the piezoelectric thin film lower portion 203a is in a crystallized state. As a result, a portion where the etching rate in the film thickness direction of the piezoelectric thin film 203 is relatively high and a portion where the etching is relatively slow are easily formed.

また、本実施形態によれば、圧電体薄膜203のエッチング加工工程の後に圧電体薄膜上部203bを結晶化させることで、所望の圧電特性を有する圧電体薄膜203を形成することができる。   In addition, according to the present embodiment, the piezoelectric thin film 203 having desired piezoelectric characteristics can be formed by crystallizing the piezoelectric thin film upper portion 203b after the etching process of the piezoelectric thin film 203.

なお、本実施形態では、個別液室206や振動板207の形成部材としてSOIウエハを用いて、オリフィスプレート211としてSi基板を用いているが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、他のウエハやその他の製造方法が用いられてもよい。   In this embodiment, an SOI wafer is used as a member for forming the individual liquid chamber 206 and the vibration plate 207, and a Si substrate is used as the orifice plate 211. However, the present invention is not limited to this configuration. Wafers and other manufacturing methods may be used.

第1の実施形態のインクジェットヘッドの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the inkjet head of 1st Embodiment. 第1の実施形態のインクジェットヘッドにおいて、Si基板に成膜された圧電体薄膜を示す縦断面図である。In the inkjet head of 1st Embodiment, it is a longitudinal cross-sectional view which shows the piezoelectric material thin film formed into the Si substrate. 第1の実施形態のインクジェットヘッドにおいて、圧電体薄膜がエッチングされる状態を説明するための横断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a state in which a piezoelectric thin film is etched in the ink jet head of the first embodiment. 第2の実施形態のインクジェットヘッドの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the inkjet head of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のインクジェットヘッドにおいて、振動板上に成膜された圧電体薄膜を示す横断面図である。6 is a cross-sectional view showing a piezoelectric thin film formed on a vibration plate in an ink jet head according to a second embodiment. FIG. 第2の実施形態のインクジェットヘッドにおいて、圧電体薄膜がエッチングされる状態を説明するための横断面図である。It is a cross-sectional view for demonstrating the state in which the piezoelectric thin film is etched in the inkjet head of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

101 Si基板
102 個別液室
103 ノズル連通口
104 共通液室
105 振動板
106 下電極
107 圧電体薄膜
108 上電極
109 隔壁
111 オリフィスプレート
101 Si substrate 102 Individual liquid chamber 103 Nozzle communication port 104 Common liquid chamber 105 Diaphragm 106 Lower electrode 107 Piezoelectric thin film 108 Upper electrode 109 Bulkhead 111 Orifice plate

Claims (4)

液体を吐出する吐出口と連通し液体を加圧するための液室の複数と、該複数の液室の各々に対応して設けられ、該液室の側から順に積層された下電極、圧電体膜及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の液室同士の間に対応する領域に亘って前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を前記圧電体膜が覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記下電極の上に前記圧電体膜の材料膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の材料膜の、前記複数の液室同士の間に対応する領域が、前記液室に対応する領域よりも膜厚が小さくなるように、前記圧電体膜の材料膜の、前記複数の液室同士の間に対応する領域をエッチングする工程と、を有し、
前記形成する工程において、膜厚方向に関するエッチング速度が互いに異なる複数の圧電体膜が積層された前記材料膜を形成し、前記エッチングする工程において、前記材料膜中の前記液室側の圧電体膜をエッチングストップ層としてエッチングを行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
A plurality of liquid chambers for communicating with a discharge port for discharging a liquid, and a lower electrode and a piezoelectric body provided corresponding to each of the plurality of liquid chambers and stacked in order from the liquid chamber side A plurality of piezoelectric elements having a film and an upper electrode, wherein the lower electrode is provided over a corresponding region between the plurality of liquid chambers, and the lower electrode provided at least in the region is A method of manufacturing a liquid discharge head covered by a piezoelectric film,
Forming a material film of the piezoelectric film on the lower electrode;
The material film of the piezoelectric film is formed such that a region corresponding to the space between the plurality of liquid chambers of the material film of the piezoelectric film is smaller than a region corresponding to the liquid chamber. an area corresponding to between the adjacent plurality of liquid chambers possess and etching, a,
In the forming step, the material film is formed by laminating a plurality of piezoelectric films having different etching rates in the film thickness direction, and in the etching step, the piezoelectric film on the liquid chamber side in the material film Etching is performed using as an etching stop layer, and a method for manufacturing a liquid discharge head is provided.
前記エッチングはドライエッチングであり、前記下電極はPtを含む請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 The method of manufacturing a liquid ejection head according to claim 1 , wherein the etching is dry etching, and the lower electrode contains Pt. 前記材料膜中、エッチングされる圧電体膜は未結晶化状態にあり、前記エッチングストップ層となる圧電体膜は結晶化状態にある請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 Wherein the material film, the piezoelectric film to be etched is in the uncrystallized state, the piezoelectric film to be the etching stop layer manufacturing method of the liquid discharge head according to claim 1 in a crystalline state. 前記形成する工程の後に、前記未結晶化状態にある圧電体膜を結晶化する工程を更に有する請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 3 , further comprising a step of crystallizing the piezoelectric film in the non-crystallized state after the forming step.
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