JP5114988B2 - 液滴吐出ヘッド、及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
そこで、装置の大型化を抑制するために、圧電体素子の形成された領域下の階層領域に電気配線を引き回す方法も考えられるが、堆積法による圧電体素子形成では、高温雰囲気下における圧電体素子の堆積形成が必要になるため、圧電体素子形成工程において圧電体素子の形成された領域下の階層領域に形成された引き回された電気配線等の電気伝導層もまた同様に、高温雰囲気下にさらされ、この電気伝導層の熱的安定性等の信頼性に問題が生じる場合があった。
また、電気伝導層を構成する材料として、堆積法による圧電体素子形成における高温雰囲気下においても劣化しない上記材料を適用することで、電気伝導層上に圧電体素子を形成する場合においても電気伝導層の熱的安定性を確保することができ、電気伝導層の信頼性に優れた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
また、電気伝導層を構成する材料として、堆積法による圧電体素子形成における高温雰囲気下においても劣化しない上記材料を適用することで、電気伝導層上に圧電体素子を形成する場合においても電気伝導層の熱的安定性を確保することができ、電気伝導層の信頼性に優れた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
請求項15に記載の液滴吐出装置は、請求項1から請求項14の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴としている。
このため、液滴吐出装置の大型化を抑制することができると共に、液滴吐出ヘッドの電気伝導層の信頼性に優れた液滴吐出装置を提供することができる。
図1は、第1実施形態に係るインクジェット記録装置を示す概略構成図である。図2は、第1実施形態のインクジェット記録ユニットによる印字領域を示す図である。
圧電素子基板71は、圧電体素子34と、振動板を構成するシリコン基板40と、駆動素子50と、を含んで構成されている。
また、本実施形態において、「電気伝導」及び「伝導」とは、
体積抵抗率が10+03Ω・cm以下のものを示し、「絶縁」とは体積低効率が10+08Ω・cm以上のものを目安とする。
下部電極層58は、駆動素子50に電気的に接続されている接続層62Cに、電気的に接続されている。接続層62Cは、信号引き回し配線62Bと同一階層の電気伝導層に設けられており、圧電体素子34の変位動作領域48A及び非動作領域48B以外の領域で、駆動素子50に電気的に接続されている。
信号引き回し配線62Bは、駆動素子50を駆動させるか否か(オンにするか否か)の制御信号線として機能する。
インクプール部材(図示省略)は、シリコン基板40の下層側に設けられている。インクプール部材は、耐インク性を有する材料で構成されたマニフォールド(図示省略)を含んで構成されている。マニフォールド(図示省略)は、シリコン基板40の下面側に接合されており、このマニフォールド(図示省略)がシリコン基板40の下面側に接合されることによって、マニフォールド(図示省略)と振動板領域70との間に、所定の形状及び容積を有するインクプール室80が形成される。
TaMo,TaTi,TiAl,TaW,TaHf,TiW等,
Ta2N,TaN0.1,TaN0.8,TaN,Ta6N2.57,TaN4,Amorphous−TaNx,
TaB2,TaB,Amorphous−TaBx,
TaSi2,Ta5Si,β−Ta5Si3,α−Ta5Si3,Ta2Si,Ta3Si,Ta4Si,Ta3.28Si0.72,Amorphous−TaSix,
VN,V2N,V6N2.7,VN0.2,VN0.35,Amorphous−VNx,VB2,V1.54B50,Amorphous−VBx,
VSi2,V3Si,V5Si3,Amorphous−VSix,
Nb2N,NbN,NbN0.95,Nb4.62N2.14,Nb4N3.92,Nb4N3,Amorphous−NbNx,
Amorphous−NbBx,
NbSi2,Nb3Si,Amorphous−NbSix,
MoN,Mo2N,Amorphous−MoNx,
MoB4,Mo0.8B3,Mo2B,Amorphous−MoBx,
MoSi2,Mo5Si3,Amorphous−MoSix,
WN,W2N,Amorphous−WNx,
WB4,W2B5,Amorphous−WBx,
WSi2,W5Si3,W3Si,Amorphous−WSix,
TiN,Ti2N,TiN0.26,TiN0.30,Amorphous−TiNx,
TiB2,Amorphous−TiBx,
TiSi2,TiSi,Ti5Si4,Ti5Si3,Amorphous−TiSix,
ZrN0.28,ZrN,Amorphous−ZrNx,
ZrB2,Amorphous−ZrBx,
ZrSi2,ZrSi,Zr5Si3,Amorphous−ZrSix,
HfB2,HfN0.40,HfN,Amorphous−HfNx,
HfB,Amorphous−HfBx,
HfSi2,Hf5Si4,Hf2Si,Hf5Si3,Amorphous−HfSix等
この拡散抑制層54Aが設けられることによって、圧電体素子34の構成元素(例えば、ピエゾに代表される圧電体PZTでは鉛(Pb))の拡散を抑制し、圧電体素子34自身の劣化を緩和することができる。また、拡散抑制層54Bが設けられることによって、圧電体素子34の下層側を構成する各種材料が、駆動素子50側へと拡散することを抑制することができる。
これらの絶縁層の絶縁材料としては、絶縁性と耐気体透過性と耐液性を有していれば特に制限はないが、特に、圧電体層61と接触する絶縁層の場合、圧電体層61(圧電体素子34)の静電容量を上昇させてしまうことがあるため、低い比誘電率を有する絶縁材料、すなわち、圧電体素子素材に対して例えば1/10以下の比誘電率素材を用いることがよい。圧電体層61の比誘電率は例えば500以上であり、絶縁層の比誘電率は100以下が要求される。このような絶縁材料としては、酸化珪素(USG: Un−Doped Silicate Glass),窒化珪素,BPSG(Boro−Phospho−Silicate Glass),FSG(Fluorinated Silicate Glass), Black Diamond, FDLC(Fluorinated Diamond−like Carbon), 珪素酸窒化物, USGにCを添加したSiCO,炭化珪素,タンタル酸化物,アルミニウム酸化物、ジルコニア酸化物,チタニウム酸化物等の無機絶縁材料が挙げられる。
また、信号引き回し配線62Bが圧電体素子34間等の圧電体素子34の下層側以外の領域に設けられる場合に比べて、駆動素子50の形成領域を広く確保することができ、1つの圧電体素子34に対して複数の駆動素子50を対応させて設けることが可能となる。
この描画処理によって、圧電体素子34は、図4および図5に示すように、個々の圧力室毎に孤立され、変位動作領域48Aと圧電体動作領域以外の領域、すなわち、圧力室82を囲む圧電体層61の周囲領域と、引き回し配線層までの接続領域と、から構成される。
なお、本実施形態では、この共通配線保護層74は、配線72の設けられた領域のみを被覆するように形成する場合を説明するが、配線72の設けられた領域と共に圧電体素子34全体を被覆するように設けてもよい。
駆動素子50の設けられた領域についても電気伝導保護層67を設けることによって、インクチ中のアルカリイオンが圧電体素子へ浸透することを抑制すると共に、駆動素子50へ信号することについても抑制することができる。
また、電気伝導層62が、高温雰囲気下に耐えうる材料によって構成されていることから、電気伝導層の信頼性に優れたインクジェット記録ヘッド32及びインクジェット記録装置10を提供することができる。
図10は、第2実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける圧電体素子周辺を示す部分拡大平面図である。図11は、図10のA−A断面図である。
(試験例1)
−インクジェット記録ヘッドの製造−
まず、図8(A)に示すように、シリコン基板40として300μmの単結晶珪素基板表面を熱酸化して熱酸化層(層厚1μm)を形成した後、リソグラフィ・エッチングにより開口を設けて隣り(P)のイオン注入及び拡散を行った。そして、単結晶珪素基板表面に残った熱酸化層を一旦除去した後、再び熱酸化層1000Åと減圧CVDによる珪素窒化物層1500Åを堆積した。リソグラフィ及びエッチングにより硼素のイオン注入・拡散を行った。次に、素子分離を行う為、熱酸化してLOCOSからなる素子分離層43:7000Åを形成した。最後に、トランジスタを形成する領域にある熱酸化層・珪素窒化層を除去した。
この共通引き回し配線62Aとしては、以下の表1に示す素材を用い、これをスパッタリング法により堆積し、リソグラフィ及びエッチングによりに描画した。共通引き回し配線62Bの厚みは、5000Åμmであった。
電気伝導層62としての、信号引き回し配線62B及び共通引き回し配線62Aとして、表1に示す22種類(試験例として21種類、比較例として1種類)の材料各々からなる電気伝導層62を用いて、上記製造方法で作製したインクジェット記録ヘッド32の作製工程において、該作製工程の内の図8(D)に示す工程まで作製工程を行った基板、すなわち、層間絶縁層54上に拡散抑制層54Aとしてタンタル酸化物2000Åを堆積させた状態(圧電体素子34が設けられていない状態)の基板を、圧電体層61としてのPZT(Lead Zirconate Titanate)の上記堆積条件と同一の520℃雰囲気下に晒した後、電気伝導層62に発生した単位面積当りのヒロック発生率(%)を観察することによって、熱的安定性の評価を行った。評価結果は、各々の種類の電気伝導層62を用いた場合について試験例1〜試験例21、及び比較例1として、表1に示した。
上記熱的安定性の評価において、図8(D)に示す工程まで作製した22種類(試験例として21種類、比較例として1種類)の基板各々について、さらに上記示したインクジェット記録ヘッド32の作製工程を続行して、インクジェット記録ヘッド32を作製した(図8(G)の工程まで実施)。
この作製した、互いに電気伝導層62を構成する材料の異なる20種類のインクジェット記録ヘッド32各々について、各インクジェット記録ヘッド32の駆動素子50を、振幅20V、パルス幅5μsec、周波数40kHzで1.0×1010パルス駆動し、配線のOpen/Shortを単位パルス数毎に観測して、電気伝導層62が破断し始めるパルス数を計測し、破断状態の評価を行った。評価結果を表1に示した。
すなわち、試験例16の電気伝導層の「Ti/Ru/Ti」の表記は、Tiと、Ruと、Tiと、を順次積層した電気伝導層であることを示し、試験例18の電気伝導層の「Ti/Ir/Ti」の表記は、Tiと、Irと、Tiと、を順次積層した電気伝導層であることを示し、試験例20の電気伝導層の「Ti/Pt/Ti」の表記は、Tiと、Ptと、Tiと、を順次積層した電気伝導層であることを示している。
32 インクジェット記録ヘッド
34 圧電体素子
45 層間絶縁層
50、501、502 駆動素子
駆動素子
54A 拡散抑制層
54B 拡散抑制層
54、55 層間絶縁層
58 下部電極層
61 圧電体層
62 電気伝導層
62A 共通引き回し配線
62B 信号引き回し配線
64 上部電極層
67 電気伝導保護層
Claims (15)
- 圧電体層及び該圧電体層に接して積層される電極層を有する圧電体素子と、
前記圧電体素子に電気的に接続され、前記圧電体素子を駆動するための駆動素子と、
前記圧電体素子における前記電極層又は前記駆動素子に電気的に接続する電気伝導層と、
を備えた液滴吐出ヘッドであって、
前記電気伝導層は、前記圧電体素子の変位動作領域に層間絶縁層を介して少なくとも1層以上積層され、Ta,V,Nb,Mo,W,Ti,Zr,及びHfの金属、前記金属の元素を1種以上含む合金、前記金属の元素を1種以上含む窒化物、前記金属の元素を1種以上含む珪化物、並びに、前記金属の元素を1種以上含む硼化物から選択される少なくとも1種を含んで構成されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 圧電体層及び該圧電体層に接して積層される電極層を有する圧電体素子と、
前記圧電体素子に電気的に接続され、前記圧電体素子を駆動するための駆動素子と、
前記圧電体素子における前記電極層又は前記駆動素子に電気的に接続する電気伝導層と、
を備えた液滴吐出ヘッドであって、
前記電気伝導層は、前記圧電体素子の変位動作領域に層間絶縁層を介して少なくとも1層以上積層され、貴金属、前記貴金属の元素を1種以上含む電気伝導酸化物、及び前記貴金属の元素を1種以上含む電気伝導珪化物から選択される少なくとも1種を含んで構成されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記貴金属は、TiまたはCrを含むことを特徴とする請求項2に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記電気伝導層と前記層間絶縁層との間に、吸着層が設けられていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子が、前記駆動素子上に前記電気伝導層を介して積層されていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子は、圧電体層と、該圧電体層を挟む一対の電極層と、からなることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記電気伝導層は、前記一対の電極層の何れか一方と接続されてなることを特徴とする請求項6に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子と前記電気伝導層との間に、拡散抑制層が設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子は、複数の前記駆動素子と接続されていることを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体層が気相成長法あるいは液相成長法により形成されることを特徴とする請求項1〜請求項9の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子の少なくとも変位動作領域は、圧電体絶縁保護層を介して設けられた電気伝導保護層により被覆されてなることを特徴とする請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子は、隣り合う前記圧電体層の変位動作領域の列を列長方向にずらして2次元的に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子表面における該圧電体素子の変位動作領域は、平坦であることを特徴とする請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記圧電体素子を複数有し、且つ前記電気伝導層は、該複数の圧電体素子の変位動作領域に層間絶縁層を介して少なくとも1層以上積層されていることを特徴とする請求項1〜請求項13の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 請求項1〜請求項14の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置。
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