JP5382196B2 - Method for manufacturing liquid discharge head - Google Patents
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本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid discharge head.
高画質、高速印刷を可能にするプリンタとして、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタ用の液体吐出ヘッドにおける圧電素子の特性向上には、圧電体層の結晶方位の制御が重要である。 Inkjet printers are known as printers that enable high image quality and high-speed printing. Control of the crystal orientation of the piezoelectric layer is important for improving the characteristics of the piezoelectric element in the liquid discharge head for an ink jet printer.
圧電体層の結晶方位を制御する方法としては、MgO(100)単結晶基板を用いて制御する方法が知られている(特開2000−158648号公報参照)。しかしながら、この方法では、液体吐出ヘッドの作製工程が複雑になる場合がある。 As a method for controlling the crystal orientation of the piezoelectric layer, a method using a MgO (100) single crystal substrate is known (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-158648). However, this method may complicate the manufacturing process of the liquid discharge head.
本発明の目的のひとつは、エージング特性が優れた液体吐出ヘッドの製造方法を提供することにある。 One of the objects of the present invention is to provide a method of manufacturing a liquid discharge head having excellent aging characteristics.
本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、
圧力室が形成される圧力室基板を準備する工程と、
前記圧力室基板の一方の側に振動板を形成する工程と、
前記振動板の上方であって、前記圧力室が形成される領域に対応する位置に、圧電素子を形成する工程と、
前記圧力室基板に前記圧力室を形成する工程と、
前記圧力室基板の他方の側に、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル板を形成する工程と、を含み、
前記圧電素子を形成する工程は、
前記振動板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に配向層を形成する工程と、
前記配向層の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含み、
前記配向層は、ランタン酸化物とニッケル酸化物とシリコン化合物とを含むターゲットを用いてスパッタ法によって形成される。
A method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention includes:
Preparing a pressure chamber substrate on which the pressure chamber is formed;
Forming a diaphragm on one side of the pressure chamber substrate;
Forming a piezoelectric element at a position above the diaphragm and corresponding to a region where the pressure chamber is formed;
Forming the pressure chamber on the pressure chamber substrate;
Forming a nozzle plate having a nozzle hole communicating with the pressure chamber on the other side of the pressure chamber substrate,
The step of forming the piezoelectric element includes:
Forming a lower electrode above the diaphragm;
Forming an alignment layer above the lower electrode;
Forming a piezoelectric layer above the alignment layer;
Forming an upper electrode above the piezoelectric layer,
The alignment layer is formed by sputtering using a target containing lanthanum oxide, nickel oxide, and a silicon compound.
本発明によれば、ニッケル酸ランタンの混晶を含む配向層を得ることができる。かかる配向層を有する液体吐出ヘッドは、圧電特性のみならず、極めて良好なエージング特性を有する。 According to the present invention, an alignment layer containing a mixed crystal of lanthanum nickelate can be obtained. A liquid discharge head having such an alignment layer has very good aging characteristics as well as piezoelectric characteristics.
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下、「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下、「B」という)を形成する」などと用いる場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。 In the description according to the present invention, the word “upper” is used, for example, “specifically” (hereinafter referred to as “A”) is formed above another specific thing (hereinafter referred to as “B”). The word “above” is used to include the case where B is formed directly on A and the case where B is formed on A via another object. Used.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記ターゲットに含まれる前記シリコン化合物の割合は、2モル%ないし10モル%であることができる。 In the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention, the ratio of the silicon compound contained in the target may be 2 mol% to 10 mol%.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記スパッタ法は、ロータリーマグネトロンスパッタ法であることができる。 In the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention, the sputtering method may be a rotary magnetron sputtering method.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記配向層は、ニッケル酸ランタンの混晶を含み、前記混晶は、LaNiO2、LaNiO3、La2NiO4およびLa3Ni2O7から選択される2種以上のニッケル酸ランタンからなることができる。 In the method for manufacturing a liquid discharge head of the present invention, the alignment layer includes a mixed crystal of lanthanum nickelate, and the mixed crystal is selected from LaNiO 2 , LaNiO 3 , La 2 NiO 4, and La 3 Ni 2 O 7. Two or more lanthanum nickelates.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記混晶は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて、21°から25°の間にピークトップ位置を有することができる。ここで「ピークトップ位置」とは、前記混晶に起因のピークの頂点を示す。そして、前記ピークトップ位置から21°までのピーク強度を積分した値をIA、前記ピークトップ位置から25°までのピーク強度を積分した値をIBとした時、IA>IB、または、IA<IBとなることができる。また、このとき、前記混晶は、LaNiO2、LaNiO3およびLa2NiO4を含むことができる。また、このとき、前記混晶は、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)は、1.5以下であることができる。 In the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention, the mixed crystal may have a peak top position between 21 ° and 25 ° at a diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by a θ-2θ method using CuKα rays. it can. Here, the “peak top position” indicates the peak apex resulting from the mixed crystal. Then, when I A is a value obtained by integrating the peak intensity up to 21 ° from the peak top position, and I B is a value obtained by integrating the peak intensity from the peak top position to 25 °, I A > I B , or , I A <I B. At this time, the mixed crystal may include LaNiO 2 , LaNiO 3, and La 2 NiO 4 . At this time, the mixed crystal may have a molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) of 1.5 or less.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記混晶は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて、30°から33°の間にピークトップ位置を有することができる。そして、前記ピークトップ位置から30°までのピーク強度を積分した値をIC、前記ピークトップ位置から33°までのピーク強度を積分した値をIDとした時、IC>ID、または、IC<IDとなることができる。また、このとき、前記混晶は、LaNiO2、LaNiO3、La2NiO4およびLa3Ni2O7を含むことができる。また、このとき、前記混晶は、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)は、1.5以上であることができる。 In the method for manufacturing a liquid ejection head according to the present invention, the mixed crystal may have a peak top position between 30 ° and 33 ° at a diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by a θ-2θ method using CuKα rays. it can. Then, when I C is a value obtained by integrating the peak intensity from the peak top position to 30 °, and I D is a value obtained by integrating the peak intensity from the peak top position to 33 °, I C > I D , or , I C <I D. At this time, the mixed crystal may include LaNiO 2 , LaNiO 3 , La 2 NiO 4, and La 3 Ni 2 O 7 . In this case, the mixed crystal may have a molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) of 1.5 or more.
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1.液体吐出ヘッド
まず、本実施形態に係る製造方法によって得られる液体吐出ヘッドについて述べる。図1は、液体吐出ヘッドの要部の一例を模式的に示す断面図である。図2は、液体吐出ヘッドの一例を模式的に示す断面図である。図3は、液体吐出ヘッドの概略的な構成を示す分解斜視図である。なお、図3は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
1. Liquid Discharge Head First, a liquid discharge head obtained by the manufacturing method according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a main part of the liquid discharge head. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the liquid discharge head. FIG. 3 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of the liquid discharge head. Note that FIG. 3 is shown upside down from the state of normal use.
液体吐出ヘッド50は、図3に示すように、基体56に収納されて固定されている。基体56は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。液体吐出ヘッド50は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
As shown in FIG. 3, the
図1および図2に示すように、液体吐出ヘッド50は、圧力室(キャビティ)521を有する圧力室基板52と、圧力室基板52の一方の側に設けられた振動板55と、振動板55の上であって、圧力室521に対応する位置に設けられた圧電素子54と、圧力室基板52の他方の側に設けられ、圧力室521に連通するノズル孔511を有するノズル板51と、を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
圧力室521は、図2に示すように、各ノズル孔511に対応して配設されている。圧力室521は、振動板55の振動によってそれぞれ容積可変になっている。圧力室521は、この容積変化によってインクなどの液体あるいは分散体を吐出するよう構成されている。圧力室基板52を得るためには、(110)配向のシリコン単結晶基板を用いることができる。この(110)配向のシリコン単結晶基板は、異方性エッチングに適しているので、圧力室基板52をエッチングによって容易にかつ確実に形成することができる。
As shown in FIG. 2, the
振動板55は、図1および図2に示すように、圧力室基板52の一方の側に固定されている。振動板55は、絶縁層2と、この絶縁層2の上に形成された弾性層3とを有することができる。絶縁層2としては、例えば酸化シリコンなどを用いることができる。絶縁層2は、例えば、液体吐出ヘッド50の圧力室521を形成するために圧力室基板52を裏面側からエッチングする工程において、エッチングストッパとして機能することができる。弾性層3としては、例えばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化ジルコニウムなどを用いることができる。
The
ノズル板51は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、液滴を吐出するための多数のノズル孔511を一列に形成したものである。これらノズル孔511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
The
ノズル板51は、圧力室基板52の他方の側に固着(固定)されている。圧力室基板52は、図2および図3に示すように、ノズル板51、側壁(隔壁)522、および振動板55によって、複数の圧力室521と、リザーバ523と、供給口524と、を区画形成したものである。リザーバ523は、インクカートリッジ631(図9参照)から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口524によって、リザーバ523から各圧力室521にインクが供給される。
The
次に、圧電素子54について説明する。
Next, the
各圧電素子54は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各圧電素子54はそれぞれ振動源(圧電素子)として機能する。振動板55は、圧電素子54の振動(たわみ)によって振動し(たわみ)、圧力室521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
Each
圧電素子54は、図1に示すように、下部電極4、配向層7、圧電体層5および上部電極6を有する。
As shown in FIG. 1, the
下部電極4は、圧電体層5に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極4は、導電性が確保されればその材質は特に限定されない。
The
下部電極4は、配向層7に比べ比抵抗が低い導電材からなることが好ましい。下部電極4の材質としては、例えば、金属、該金属の酸化物、および該金属からなる合金のうちの少なくとも1種を含むことができる。また、下部電極4は、複数の導電層が積層された構造を有していてもよい。ここで、金属としては、例えば、Pt、Ir、Ru、Ag、Au、Cu、Al、Ti、およびNiのうちの少なくとも1種を用いることができる。金属の酸化物としては、例えば、IrO2、RuO2などを挙げることができる。金属からなる合金としては、例えば、Pt−Ir、Ir−Al、Ir−Ti、Pt−Ir−Al、Pt−Ir−Ti、Pt−Ir−Al−Tiなどを挙げることができる。この導電材料の結晶配向は特に限定されず、例えば、(111)配向していることができる。下部電極4の膜厚は、例えば50nm〜200nm程度とすることができる。
The
配向層7は、ニッケル酸ランタンの混晶含む。すなわち、配向層7は、複数のニッケル酸ランタンを含む。配向層7は、圧電体層5の結晶配向を所定の配向に制御でき、圧電体層の圧電定数などの特性を向上させることができる。さらに、後述するように、特定の混晶を含む配向層7を設けることにより、液体吐出ヘッド50のエージング特性を格段に上げることができる。また、配向層7は導電性を有し、電極を兼ねることができる。
The
混晶に含まれるニッケル酸ランタンは、式LaxNiyOzで示したとき、xが1から3のいずれかの整数、yが1または2、およびzが2から7のいずれかの整数からなることができる。具体的には、混晶は、LaNiO2、LaNiO3、La2NiO4およびLa3Ni2O7から選択される2種以上のニッケル酸ランタンを含む。配向層7は、さらに、例えばシリコン化合物、他の微量なニッケル酸ランタンなどを含むことができる。
When the lanthanum nickelate contained in the mixed crystal is represented by the formula La x Ni y O z , x is an integer from 1 to 3, y is 1 or 2, and z is an integer from 2 to 7. Can consist of Specifically, the mixed crystal contains two or more kinds of lanthanum nickelate selected from LaNiO 2 , LaNiO 3 , La 2 NiO 4 and La 3 Ni 2 O 7 . The
本発明者らによれば、後述するように、混晶に含まれるニッケル酸ランタンは、配向層7の成膜方法に依存することが確認されている。
According to the present inventors, as will be described later, it has been confirmed that lanthanum nickelate contained in the mixed crystal depends on the method of forming the
例えば、配向層7をロータリーマグネトロンスパッタ法によって成膜する場合には、成膜温度によって、混晶の組成が異なる。例えば、150℃ないし250℃で成膜すると、得られる混晶は、LaNiO2、LaNiO3およびLa2NiO4を主成分として含む。
For example, when the
そして、このように比較的低温で成膜する場合、混晶は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて、21°から25°の間にピークトップ位置を有する。そして、前記ピークトップ位置から21°までのピーク強度を積分した値をIA、前記ピークトップ位置から25°までのピーク強度を積分した値をIBとした時、IA>IB、または、IA<IBとなることができる。IAとIBとが上記関係を有することは、θ−2θ法におけるピークがピークトップ位置に対して非対称であることを示し、当該ピークが混晶に由来するものであることを意味する。θ−θ2法におけるピークがピークトップ位置に対して対称な場合は、当該ピークはLaNiO3の一軸配向に由来するものである。このようなIAとIBとの関係は、後述する他のピークにおいても同様な意味を有する。さらに、この成膜の場合、混晶は、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)は、1.5以下、好ましくは、1以上1.5以下である。 When the film is formed at such a relatively low temperature, the mixed crystal has a peak top position between 21 ° and 25 ° at the diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by the θ-2θ method using CuKα rays. . Then, when I A is a value obtained by integrating the peak intensity up to 21 ° from the peak top position, and I B is a value obtained by integrating the peak intensity from the peak top position to 25 °, I A > I B , or , I A <I B. The relationship between I A and I B indicates that the peak in the θ-2θ method is asymmetric with respect to the peak top position, and that the peak is derived from a mixed crystal. When the peak in the θ-θ2 method is symmetric with respect to the peak top position, the peak is derived from the uniaxial orientation of LaNiO 3 . Such relationship between I A and I B have the meaning similar in other peaks below. Furthermore, in this film formation, the mixed crystal has a molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) of 1.5 or less, preferably 1 or more and 1.5 or less.
また、混晶を、例えば400℃ないし600℃の比較的高温で成膜する場合には、混晶は、LaNiO2、LaNiO3、La2NiO4およびLa3Ni2O7を主成分として含む。そして、この場合、混晶は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて、30°から33°の間にピークを有する。前記ピークトップ位置から30°までのピーク強度を積分した値をIC、前記ピークトップ位置から33°までのピーク強度を積分した値をIDとした時、IC>ID、または、IC<IDとなる。さらに、この場合、混晶は、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)は、1.5以上、好ましくは、1.5以上2以下である。 When the mixed crystal is formed at a relatively high temperature of, for example, 400 ° C. to 600 ° C., the mixed crystal contains LaNiO 2 , LaNiO 3 , La 2 NiO 4, and La 3 Ni 2 O 7 as main components. . In this case, the mixed crystal has a peak between 30 ° and 33 ° at a diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by the θ-2θ method using CuKα rays. When I C is a value obtained by integrating the peak intensities from the peak top position to 30 ° and I D is a value obtained by integrating the peak intensities from the peak top position to 33 °, I C > I D or I C < ID . Further, in this case, the mixed crystal has a molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) of 1.5 or more, preferably 1.5 or more and 2 or less.
圧電体層5は、例えばペロブスカイト構造を有する圧電体からなることができる。圧電体層5は、配向層7と接している。圧電体層5を構成する圧電体は、菱面体晶、または、正方晶と菱面体晶との混晶であり、かつ(100)に配向していることできる。このような圧電体からなる圧電体層5は、一般的に高い圧電定数を有する。
The piezoelectric layer 5 can be made of, for example, a piezoelectric body having a perovskite structure. The piezoelectric layer 5 is in contact with the
この圧電体は、例えばABO3の一般式で示されることができる。ここで、Aは、Pbを含み、Bは、ZrおよびTiのうちの少なくとも一方を含むことができる。さらに、Bは、V、Nb、およびTaのうちの少なくとも一種を含むこともできる。この場合、この圧電体は、SiおよびGeのうちの少なくとも一方を含むことができる。より具体的には、圧電体は、例えば、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)ZrTiO3)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg,Nb)TiO3)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg,Nb)(Zr,Ti)O3)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn,Nb)TiO3)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc,Nb)TiO3)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni,Nb)TiO3)、および、インジウムマグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(In,Mg,Nb)TiO3)のうちの少なくとも一種を含むことができる。 This piezoelectric body can be represented by, for example, a general formula of ABO 3 . Here, A can include Pb, and B can include at least one of Zr and Ti. Furthermore, B can also contain at least one of V, Nb, and Ta. In this case, the piezoelectric body can include at least one of Si and Ge. More specifically, the piezoelectric body includes, for example, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead niobate zirconate titanate (Pb (Zr, Ti, Nb) O 3 ), titanate. Lead lanthanum ((Pb, La) TiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) ZrTiO 3 ), lead magnesium niobate titanate (Pb (Mg, Nb) TiO 3 ), zirconate magnesium niobate Lead titanate (Pb (Mg, Nb) (Zr, Ti) O 3 ), lead zinc niobate titanate (Pb (Zn, Nb) TiO 3 ), scandium lead niobate titanate (Pb (Sc, Nb) TiO 3 3), nickel niobate titanate (Pb (Ni, Nb) TiO 3), and indium magnesium niobate titanate of (Pb (in, Mg, Nb ) TiO 3) Chino may include at least one.
また、圧電体は、例えば、(Ba1-xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、および、KNbO3のうちの少なくとも1種からなることができる。 The piezoelectric body may be, for example, (Ba 1-x Sr x ) TiO 3 (0 ≦ x ≦ 0.3), Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , and It can consist of at least one of KNbO 3 .
圧電体層5の膜厚は、例えば0.1μm以上5μm以下とすることができる。 The film thickness of the piezoelectric layer 5 can be, for example, not less than 0.1 μm and not more than 5 μm.
上部電極6は、圧電体層5に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極6の材質としては、下部電極4と同じものを用いることができる。また、上部電極6は、複数の導電層の積層体であってもよい。例えば、上部電極6は、導電性酸化物層と、金属層との積層体でもよい。
The upper electrode 6 is the other electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer 5. As the material of the upper electrode 6, the same material as that of the
次に、液体吐出ヘッド50の動作について説明する。液体吐出ヘッド50は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電素子54の下部電極4と上部電極6との間に電圧が印加されていない状態では、図1に示すように圧電体層5に変形が生じない。このため、振動板55にも変形が生じず、圧力室521には容積変化が生じない。従って、ノズル孔511から液滴は吐出されない。
Next, the operation of the
一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電素子54の下部電極4と上部電極6との間に電圧が印加された状態では、図4に示すように、圧電体層5においてその短軸方向(図4に示す矢印sの方向)にたわみ変形が生じる。これにより、振動板55がたわみ、圧力室521の容積変化が生じる。このとき、圧力室521内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル孔511から液滴58が吐出される。
On the other hand, in a state where a predetermined ejection signal is input via the piezoelectric element driving circuit, that is, in a state where a voltage is applied between the
すなわち、電圧を印加すると、圧電体層5の結晶格子は面方向に対して垂直な方向(図4に示す矢印dの方向)に引き伸ばされるが、同時に面方向には圧縮される。この状態では、圧電体層5にとっては面内に引っ張り応力fが働いていることになる。従って、この引っ張り応力fによって振動板55をそらせ、たわませることになる。圧力室521の短軸方向での圧電体層5の変位量(絶対値)が大きければ大きいほど、振動板55のたわみ量が大きくなり、より効率的にインクなどの液状材料(以下、「液体」といもいう)の液滴を吐出することが可能になる。
That is, when a voltage is applied, the crystal lattice of the piezoelectric layer 5 is stretched in the direction perpendicular to the plane direction (the direction of the arrow d shown in FIG. 4), but is simultaneously compressed in the plane direction. In this state, the tensile stress f acts on the piezoelectric layer 5 in the plane. Therefore, the
1回の液滴の吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、下部電極4と上部電極6との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電素子54は図1に示す元の形状に戻り、圧力室521の容積が増大する。なお、このとき、液体には、当該液体を収容する容器(例えばインクカートリッジ631(図9参照))からノズル孔511へ向かう圧力(正方向への圧力)が作用している。このため、空気がノズル孔511から圧力室521へと入り込むことが防止され、液体の吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ631からリザーバ523を経て圧力室521へ供給される。
When the ejection of one droplet is completed, the piezoelectric element driving circuit stops applying the voltage between the
このように、液滴の吐出を行わせたい位置の圧電素子54に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、紙などの被吐出媒体における所望の位置に液滴を供給することができる。
In this way, by sequentially inputting ejection signals to the
次に、後述する本実施形態に係る製造方法によって得られた液体吐出ヘッド50の主な特徴について述べる。
Next, main features of the
液体吐出ヘッド50によれば、配向層7としてニッケル酸ランタンの混晶を用いることにより、圧電体層5の結晶配向を所定の配向に制御でき、圧電体層5の圧電定数などの特性を向上させることができる。これにより、振動板55のたわみ量が大きくなり、液滴をより効率的に吐出できる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量の液滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル孔511のピッチをより高密度に形成することなどができる。従って、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、圧力室521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。
According to the
さらに、後述するように、ニッケル酸ランタンの混晶を主成分とする配向層7を設けることにより、エージング特性が格段に優れた液体吐出ヘッド50を得ることができる。すなわち、後述する実験例からも明らかなように、特定の配向層7を用いることにより、後述するエージング工程における変位低下率を約5%以内と極めて小さい範囲に抑制することができる。そのため、エージング工程後においても、液体吐出ヘッド50を構成する部材、例えば圧電素子54および振動板55を初期設計値と近似したものとすることができる。したがって、液体吐出ヘッド50によれば、優れたエージング特性を有し、さらに、圧電素子54および振動板55の変位量の経時的変化を非常に小さくすることができ、優れた耐久性を有することができる。
Furthermore, as will be described later, by providing the
2.液体吐出ヘッドの製造方法
2.1.製造方法
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド50の製造方法について、図1、図5ないし図7を参照しながら説明する。
2. Manufacturing method of liquid discharge head 2.1. Manufacturing Method Next, a manufacturing method of the
まず、圧力室基板52の母材となる(110)配向のシリコン基板1を用意する。
First, a (110) -oriented silicon substrate 1 serving as a base material of the
次に、図5に示すように、シリコン基板1の上に絶縁層2を形成する。絶縁層2は、例えば酸化シリコンからなる。酸化シリコンからなる絶縁層2は、例えば、シリコン基板1の表面に熱酸化法によって形成することができる。また、絶縁層2は、CVD法などにより形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5, the insulating
次に、絶縁層2の上に弾性層3を形成する。弾性層3は、例えばCVD法、スパッタ法、蒸着法などにより形成することができる。弾性層3の材質としては、前述したものを用いることができる。
Next, the elastic layer 3 is formed on the insulating
次に、弾性層3の上に下部電極4を形成する。本実施形態おいては、配向層7を有することから、下部電極4を構成する導電材の結晶配向は特に限定されないので、下部電極4の作製条件や作製方法は適宜選択することができる。例えば、下部電極4は、スパッタ法、真空蒸着法などにより形成することができる。また、下部電極4の形成を行う際の温度は、例えば、室温〜600℃とすることができる。下部電極4の材質としては、前述したものを用いることができる。
Next, the
次に、下部電極4の上に配向層7を形成する。配向層7は、例えばスパッタ法により形成することができる。配向層7を、スパッタ法で形成する場合、ロータリーマグネトロンスパッタ法または固定スパッタ法を用いることができる。スパッタ法に用いるターゲットについては、後述する。
Next, the
ロータリーマグネトロンスパッタ法を用いる場合には、パワーを0.5〜1.5kW、成膜温度を150〜600℃とすることができる。ロータリーマグネトロンスパッタ法は、ターゲット直下に設けられる磁石を回転させながらスパッタを行う。このロータリーマグネトロンスパッタ法を用いると、ターゲットに対する放電が部分的に集中することによるエロージョン(浸食)を抑制し、ターゲットを均一に無駄なく利用できる利点がある。また、固定スパッタ法を用いる場合には、パワーを0.5〜1.5kW、成膜温度を300〜600℃とすることができる。成膜温度を低くできる点では、固定スパッタ法よりロータリーマグネトロンスパッタ法が望ましいといえる。また、スパッタ法では、アルゴンおよび酸素における酸素の割合(O2/(Ar+O2))は、例えば、0%〜50%とすることができる。 When the rotary magnetron sputtering method is used, the power can be set to 0.5 to 1.5 kW, and the film formation temperature can be set to 150 to 600 ° C. In the rotary magnetron sputtering method, sputtering is performed while rotating a magnet provided immediately below a target. When this rotary magnetron sputtering method is used, there is an advantage that erosion (erosion) due to partial concentration of discharge on the target is suppressed and the target can be used uniformly and without waste. Further, when the fixed sputtering method is used, the power can be set to 0.5 to 1.5 kW and the film forming temperature can be set to 300 to 600 ° C. The rotary magnetron sputtering method is more preferable than the fixed sputtering method in that the film forming temperature can be lowered. In the sputtering method, the ratio of oxygen in argon and oxygen (O 2 / (Ar + O 2 )) can be set to, for example, 0% to 50%.
配向層7は、既に述べたように、ニッケル酸ランタンの混晶含む。すなわち、配向層7は、複数のニッケル酸ランタンを含む。配向層7は、圧電体層5の結晶配向を所定の配向に制御でき、圧電体層の圧電定数などの特性を向上させることができる。さらに、後述するように、特定の混晶を含む配向層7を設けることにより、液体吐出ヘッド50のエージング特性を格段に上げることができる。また、配向層7は導電性を有し、電極を兼ねることができる。
As already described, the
混晶に含まれるニッケル酸ランタンについては、既に述べたので、ここでの記載を省略する。 Since lanthanum nickelate contained in the mixed crystal has already been described, description thereof is omitted here.
次に、配向層7の上に圧電体層5を形成する。圧電体層5は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法などにより形成することができる。圧電体層5の材質としては、前述したものを用いることができる。
Next, the piezoelectric layer 5 is formed on the
次に、圧電体層5の上に上部電極6を形成する。上部電極6は、例えばスパッタ法、真空蒸着法などにより形成することができる。上部電極6の材質としては、前述したものを用いることができる。 Next, the upper electrode 6 is formed on the piezoelectric layer 5. The upper electrode 6 can be formed by, for example, a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like. As the material of the upper electrode 6, those described above can be used.
次に、上部電極6、圧電体層5、配向層7および下部電極4を、図6に示すように、個々の圧力室521に対応させてパターニングし、圧力室521の数に対応した数の圧電素子54を形成する。なお、下部電極6を共通電極として用いる場合には、下部電極6のパターニングを別途行うことができる。
Next, as shown in FIG. 6, the upper electrode 6, the piezoelectric layer 5, the
次に、図7に示すように、シリコン基板1を公知のリソグラフィー技術を用いてパターニングし、圧電素子54に対応する位置にそれぞれ圧力室521となる凹部を、また、所定位置にリザーバ523および供給口524となる凹部を形成することにより、圧力室基板52を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, the silicon substrate 1 is patterned using a known lithography technique, and concave portions that respectively become
本実施形態では、圧力室基板52として(110)配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング(異方性エッチング)が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、前述したように絶縁層2をエッチングストッパとして機能させることができる。従って、圧力室基板52の形成をより容易に行うことができる。
In this embodiment, since the (110) -oriented silicon substrate is used as the
このようにしてシリコン基板1を、その厚さ方向に振動板55が露出するまでエッチング除去することにより、圧力室基板52を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁522となる。
Thus, the
次に、複数のノズル孔511が形成されたノズル板51を、各ノズル孔511が各圧力室521となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数の圧力室521、リザーバ523および複数の供給口524が形成される。ノズル板51の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、圧力室基板52を基体56に取り付ける。
Next, the
以上の工程によって、液体吐出ヘッド50を製造することができる。
The
次に、エージング工程について述べる。エージング工程は、例えば以下のように行うことができる。 Next, the aging process will be described. An aging process can be performed as follows, for example.
圧力室521を形成した後、エージング工程を付加することができる。エージング工程は、実使用時よりも高電圧かつ高周波数の駆動信号を圧電素子54に所定パルス数印加し、圧電体層5に実使用時よりも高い電界強度を発生させて圧電素子54を駆動する工程を有する。エージング工程により、実使用時の圧電素子54および振動板55の変位量の変動が著しく小さく抑えられ、常に安定した液体吐出特性を得ることができる。すなわち、エージング工程を実行することにより、圧電素子54を構成する圧電体層5が分極されると共に、かつ振動板の内部応力が緩和されることにより、実使用時の圧電素子54および振動板55の変位量の変動が著しく小さく抑えられる。
After the
エージング工程で圧電体層5に発生させる電界強度は、実使用時よりも高い電界強度であれば特に限定されないが、300kV/cm以上であることができる。この電界強度を用いると、比較的短時間で圧電体層5を分極することができるからである。例えば、本実施形態では、圧電素子54に印加する駆動信号の最高電圧を50Vに設定することにより、圧電体層5に455kV/cmの電界強度を発生させることができる。また、駆動信号の周波数も実使用時よりも高い周波数であれば特に限定されないが、50kHz〜200kHz程度であることができる。周波数が低すぎるとエージング工程に時間がかかりすぎ、周波数が高すぎると圧電素子54が破壊されるおそれがある。
The electric field strength generated in the piezoelectric layer 5 in the aging process is not particularly limited as long as the electric field strength is higher than that in actual use, but can be 300 kV / cm or more. This is because, when this electric field strength is used, the piezoelectric layer 5 can be polarized in a relatively short time. For example, in this embodiment, the electric field strength of 455 kV / cm can be generated in the piezoelectric layer 5 by setting the maximum voltage of the drive signal applied to the
また、駆動信号の波形は、例えば、sin波、矩形波等の周波数が単一の波形であることができる。このような単純波形であれば、比較的短時間で圧電素子54を所定回数駆動させることができ、エージング時間を短縮できるからである。また、圧電素子54の負担および圧電素子54を駆動する駆動回路の負担も抑えられる。さらに、駆動信号のパルス数は、圧電素子54に発生させる電界強度、駆動信号の周波数等によって適宜決定する必要があるが、少なくとも0.1億パルス以上であることが好ましい。これにより、振動板55の内部応力が確実に緩和され、かつ圧電体層5も確実に分極される。その結果、実使用時の圧電素子54および振動板55の変位量の変動が小さく抑えられる。
The waveform of the drive signal can be a waveform having a single frequency, such as a sin wave or a rectangular wave. This is because with such a simple waveform, the
なお、エージング工程については、例えば、本願出願人による特許出願(特願2002−374607号)に記載されている方法を採用することができる。 In addition, about the aging process, the method described in the patent application (Japanese Patent Application No. 2002-374607) by the applicant of this application is employable, for example.
2.2.配向層7の成膜に用いられるターゲット
次に、配向層7の成膜に用いられる絶縁性ターゲットについて説明する。この絶縁性ターゲットは、本願出願人によってなされた特許出願(特願2005−235809号)に記載された絶縁性ターゲット材料と同様の特徴を有する。
2.2. Target used for film formation of
この絶縁性ターゲットは、ランタンの酸化物と、ニッケルの酸化物と、シリコン化合物と、を含む。絶縁性ターゲットに、Si化合物が含まれることにより、後述する実施例からも明らかなように、均質で絶縁性の高い優れた絶縁性ターゲットとなる。また、シリコン化合物は、酸化物であることが望ましい。 This insulating target includes an oxide of lanthanum, an oxide of nickel, and a silicon compound. By including the Si compound in the insulating target, it becomes an excellent insulating target having high homogeneity and high insulating properties, as will be apparent from Examples described later. The silicon compound is preferably an oxide.
絶縁性ターゲットは、以下の方法によって形成することができる。この方法は、上述した特願2005−235809号に記載された方法と同様である。 The insulating target can be formed by the following method. This method is the same as the method described in Japanese Patent Application No. 2005-235809 described above.
まず、ランタン酸化物とニッケル酸化物とを混合し、混合された混合粉体を熱処理して粉砕することにより、第1粉体を得る工程と、前記第1粉体と、シリコン原料を含む溶液と、を混合した後、粉体を回収して第2粉体を得る工程と、前記第2粉体を熱処理して粉砕することにより、第3粉体を得る工程と、前記第3粉体を熱処理する工程と、を含む。 First, lanthanum oxide and nickel oxide are mixed, and the mixed powder is heat treated and pulverized to obtain a first powder; a solution containing the first powder and a silicon raw material And then collecting the powder to obtain a second powder; heat treating the second powder to pulverize it to obtain a third powder; and the third powder. Heat-treating.
上記製造方法は、具体的には、図8に示す工程を有することができる。 Specifically, the manufacturing method can include the steps shown in FIG.
(1)第1粉体の製造
ランタン酸化物の粉体と、ニッケル酸化物の粉体とを、例えば組成比1:1で混合する(ステップS1)。ついで、得られた混合材料を900℃ないし1000℃で仮焼成し、その後、粉砕して、第1粉体を得る(ステップS2)。このようにして得られた第1粉体は、ランタン酸化物とニッケル酸化物とを含んでいる。
(1) Production of First Powder A lanthanum oxide powder and a nickel oxide powder are mixed, for example, at a composition ratio of 1: 1 (step S1). Next, the obtained mixed material is temporarily fired at 900 ° C. to 1000 ° C. and then pulverized to obtain a first powder (step S2). The first powder thus obtained contains lanthanum oxide and nickel oxide.
(2)第2粉体の製造
第1粉体と、シリコン原料を含む溶液と、を混合する(ステップS3)。シリコン原料としては、ゾルゲル法やMOD法で前駆体材料として用いることができる、アルコキシド、有機酸塩、無機酸塩などを用いることができる。溶液としては、シリコン原料を、アルコールなどの有機溶媒に溶解したものを用いることができる。シリコン原料は、得られる導電性複合酸化物に対し、2モル%ないし10モル%の割合で含まれることができる。
(2) Production of second powder The first powder and a solution containing a silicon raw material are mixed (step S3). As a silicon raw material, an alkoxide, an organic acid salt, an inorganic acid salt, or the like that can be used as a precursor material by a sol-gel method or a MOD method can be used. As the solution, a silicon raw material dissolved in an organic solvent such as alcohol can be used. The silicon raw material may be included in a ratio of 2 mol% to 10 mol% with respect to the obtained conductive complex oxide.
シリコン原料としては、室温で液体であるか、溶媒に可溶であるものが好ましい。シリコン原料としては、有機塩、アルコキシド、無機塩等がある。有機塩の具体例としては、シリコンの蟻酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、酪酸塩、オクチル酸塩、ステアリン酸塩がある。アルコキシドの具体例としては、シリコンのエトキシド、プロポキシド、ブトキシドがあり、混合アルコキシドでもよい。無機塩の具体例としては、シリコンの水酸化物、塩化物、フッ化物がある。これらは室温で液体であればそのまま用いても良いし、他の溶媒に溶かして用いてもよい。また、シリコン原料としては、これらに限られず、多くのシリコンの塩を用いることができる。 The silicon raw material is preferably a liquid at room temperature or soluble in a solvent. Examples of silicon raw materials include organic salts, alkoxides, and inorganic salts. Specific examples of the organic salt include silicon formate, acetate, propionate, butyrate, octylate, and stearate. Specific examples of the alkoxide include silicon ethoxide, propoxide and butoxide, and mixed alkoxides may be used. Specific examples of the inorganic salt include silicon hydroxide, chloride, and fluoride. These may be used as they are at room temperature, or may be used by dissolving in other solvents. The silicon raw material is not limited to these, and many silicon salts can be used.
その後、粉体と溶液を濾過等によって分離して粉体を回収し、第2粉体を得る(ステップS4)。このようにして得られた第2粉体は、第1粉体と前記溶液が混合されたものである。 Thereafter, the powder and the solution are separated by filtration or the like, and the powder is collected to obtain a second powder (step S4). The second powder thus obtained is a mixture of the first powder and the solution.
(3)第3粉体の製造
ついで、第2粉体を900℃ないし1000℃で仮焼成し、その後、粉砕して、第3粉体を得る(ステップS5)。このようにして得られた第3粉体は、ランタン酸化物、ニッケル酸化物およびシリコン酸化物を含んでいる。
(3) Production of third powder Next, the second powder is calcined at 900 ° C. to 1000 ° C. and then pulverized to obtain a third powder (step S5). The third powder thus obtained contains lanthanum oxide, nickel oxide and silicon oxide.
(4)焼結 ついで、第3粉体を公知の方法で焼結する(ステップS6)。例えば、第3粉体を型に入れ、真空ホットプレス法で焼結を行うことができる。焼結は、1000ないし1500℃で行うことができる。このようにして絶縁性ターゲットを得ることができる。 (4) Sintering Next, the third powder is sintered by a known method (step S6). For example, the third powder can be put in a mold and sintered by a vacuum hot press method. Sintering can be performed at 1000 to 1500 ° C. In this way, an insulating target can be obtained.
(5)研磨 得られた絶縁性ターゲットは、必要に応じて、湿式研磨によって表面を研磨することができる。 (5) Polishing If necessary, the surface of the obtained insulating target can be polished by wet polishing.
上述した製造方法によれば、第1粉体とシリコン原料の溶液とを混合する工程を有することにより、均質で絶縁性の高い絶縁性ターゲットを得ることができる。また、この製造方法によれば、得られる導電性複合酸化物膜の結晶配向制御性および表面モフォロジーの高い絶縁性ターゲットを得ることができる。 According to the manufacturing method described above, it is possible to obtain an insulating target that is homogeneous and has high insulating properties by including the step of mixing the first powder and the silicon raw material solution. Moreover, according to this manufacturing method, an insulating target having high crystal orientation controllability and surface morphology of the conductive composite oxide film obtained can be obtained.
この製造方法によって得られたターゲットは、ランタン酸化物とニッケル酸化物との比率が1もしくはこれに近い比率であるものを用いることができる。さらに、ターゲットは、2モル%ないし10モル%の割合でシリコンを含むことができる。 As the target obtained by this manufacturing method, a target having a ratio of lanthanum oxide to nickel oxide of 1 or a ratio close thereto can be used. Further, the target may contain silicon in a proportion of 2 mol% to 10 mol%.
本実施形態に係る液体吐出ヘッド50の製造方法によれば、ニッケル酸ランタンの混晶からなる配向層7をスパッタ法により形成することができる。係る配向層7を有する圧電素子54を含む液体吐出ヘッド50の特徴は、既に述べたとおりである。
According to the method for manufacturing the
すなわち、本実施形態の製造方法によれば、ニッケル酸ランタンの混晶を含む配向層7を形成することができる。この配向層7を用いることにより、圧電体層5の結晶配向を所定の配向に制御でき、圧電体層5の圧電定数などの特性を向上させることができる。これにより、振動板55のたわみ量が大きくなり、液滴をより効率的に吐出できる。従って、高密度印刷や高速印刷が可能となり、さらには、圧力室521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。
That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, the
さらに、本実施形態に係る製造方法によれば、ニッケル酸ランタンの混晶を主成分とする配向層7を形成することにより、エージング特性が極めて優れた液体吐出ヘッド50を得ることができる。すなわち、後述する実験例からも明らかなように、特定の配向層7を用いることにより、後述するエージング工程における変位低下率を約5%以内と極めて小さい範囲に抑制することができる。そのため、エージング工程後においても、液体吐出ヘッド50を構成する部材、例えば圧電素子54および振動板55を初期設計値と近似したものとすることができる。
Furthermore, according to the manufacturing method according to the present embodiment, by forming the
3.実験例
(1)スパッタ法に用いるターゲットの作製
実験例および比較実験例に用いられる絶縁性ターゲットは、以下の方法により形成された。
3. Experimental Example (1) Production of Target Used for Sputtering Method The insulating target used in the experimental example and the comparative experimental example was formed by the following method.
まず、第1粉体を製造した。具体的には、Laの酸化物の粉体と、Niの酸化物の粉体とを、組成比1:1で混合した。ついで、得られた混合材料を900℃ないし1000℃で仮焼成し、その後、粉砕して、第1粉体を得た。 First, a first powder was produced. Specifically, La oxide powder and Ni oxide powder were mixed at a composition ratio of 1: 1. Next, the obtained mixed material was temporarily fired at 900 ° C. to 1000 ° C. and then pulverized to obtain a first powder.
ついで、第2粉体を製造した。具体的には、第1粉体と、シリコンアルコキシドの溶液とを混合した。シリコンアルコキシドの溶液は、シリコンアルコキシドをアルコールに5モル%の割合で溶解したものである。 Next, a second powder was produced. Specifically, the first powder and a silicon alkoxide solution were mixed. The silicon alkoxide solution is obtained by dissolving silicon alkoxide in alcohol at a ratio of 5 mol%.
その後、粉体と溶液を濾過によって分離して粉体を回収し、第2粉体を得た。このようにして得られた第2粉体は、第1粉体と前記溶液が混合したのものである。 Thereafter, the powder and the solution were separated by filtration, and the powder was collected to obtain a second powder. The second powder thus obtained is a mixture of the first powder and the solution.
その後、第2粉体を900℃ないし1000℃で仮焼成し、その後、粉砕して、第3粉体を得た。 Thereafter, the second powder was calcined at 900 ° C. to 1000 ° C. and then pulverized to obtain a third powder.
ついで、第3粉体を公知の方法で焼結した。具体的には、第3粉体を型に入れ、真空ホットプレス法で焼結を行った。焼結は、1400℃で行った。このようにしてターゲットサンプルを得た。ターゲットサンプルは、表面が均一でクラックなどの不良がないことが確認された。 Next, the third powder was sintered by a known method. Specifically, the third powder was placed in a mold and sintered by a vacuum hot press method. Sintering was performed at 1400 ° C. In this way, a target sample was obtained. It was confirmed that the target sample had a uniform surface and no defects such as cracks.
(2)ニッケル酸ランタンの混晶の成膜温度に対する依存性
(2)−1.低温で成膜したサンプル
まず、ロータリーマグネトロンスパッタ法によって前記ターゲットサンプルを用いて成膜したニッケル酸ランタン膜1が形成されたサンプル1について述べる。
(2) Dependence of mixed crystal of lanthanum nickelate on film formation temperature (2) -1. Sample Formed at Low Temperature First, a sample 1 on which a lanthanum nickelate film 1 formed using the target sample by a rotary magnetron sputtering method will be described.
サンプル1は、(110)配向のシリコン基板上に、RFパワーを1kWとし、基板温度を200℃とし、Ar/O2=30/20sccmの条件で、膜厚40nmのニッケル酸ランタンの混晶からなるニッケル酸ランタン膜(以下「ニッケル酸ランタン膜1」という)を成膜したものである。 Sample 1 is a mixed crystal of lanthanum nickelate having a film thickness of 40 nm on a (110) -oriented silicon substrate under conditions of RF power of 1 kW, substrate temperature of 200 ° C., and Ar / O 2 = 30/20 sccm. A lanthanum nickelate film (hereinafter referred to as “lanthanum nickelate film 1”) is formed.
図10は、サンプル1のCuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折結果を示す図である。図10から、回折角2θにおいて、21°から25°の間に、ニッケル酸ランタンの混晶(混晶LNO)のピークトップ位置が確認された。21°から25°の間のピークは、ピークトップ位置に対して非対称であった。この混晶は、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)およびLa2NiO4(L2NO4)を主として含むことが確認された。さらに、ニッケル酸ランタン膜1の混晶における、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)をICP(Inductively Coupled Plasma)法によって調べたところ、1.24であることが確認された。 FIG. 10 is a diagram showing an X-ray diffraction result by the θ-2θ method using the CuKα ray of Sample 1. FIG. From FIG. 10, the peak top position of the mixed crystal of lanthanum nickelate (mixed crystal LNO) was confirmed between 21 ° and 25 ° at the diffraction angle 2θ. The peak between 21 ° and 25 ° was asymmetric with respect to the peak top position. It was confirmed that this mixed crystal mainly contains LaNiO 2 (LNO2), LaNiO 3 (LNO3) and La 2 NiO 4 (L2NO4). Further, when the molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) in the mixed crystal of the lanthanum nickelate film 1 was examined by an ICP (Inductively Coupled Plasma) method, it was confirmed to be 1.24.
ニッケル酸ランタン膜を成膜するための基板を積層体に変えた以外は、上記シリコン基板の場合と同様にしてニッケル酸ランタン膜2を成膜してサンプル2を形成した。本実験例で用いた積層体は、(110)配向のシリコン基板上に、酸化シリコン層(膜厚約1μm)、酸化ジルコニウム層(膜厚約0.4μm)、白金層(膜厚約0.1μm)を形成したものである。
A
図11は、サンプル2のX線解析結果を示す図である。図11から、図10と同様に、回折角2θにおいて、21°から25°の間に、ニッケル酸ランタンの混晶(混晶LNO)のピークトップ位置が確認された。21°から25°の間のピークは、ピークトップ位置に対して非対称であった。この混晶は、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)およびLa2NiO4(L2NO4)を主として含むことが確認された。
FIG. 11 is a diagram showing an X-ray analysis result of
(2)−2.高温で成膜したサンプル
まず、ロータリーマグネトロンスパッタ法によって前記ターゲットサンプルを用いて成膜したニッケル酸ランタン膜3が形成されたサンプル3について述べる。
(2) -2. First, a sample 3 on which a lanthanum nickelate film 3 formed using the target sample by the rotary magnetron sputtering method is formed will be described.
サンプル3は、(110)配向のシリコン基板上に、RFパワーを1kWとし、基板温度を550℃とし、Ar/O2=30/20sccmの条件で、膜厚40nmのニッケル酸ランタンの混晶からなるニッケル酸ランタン膜3を成膜したものである。 Sample 3 is a mixed crystal of lanthanum nickelate having a film thickness of 40 nm on a (110) -oriented silicon substrate under conditions of RF power of 1 kW, substrate temperature of 550 ° C., and Ar / O 2 = 30/20 sccm. A lanthanum nickelate film 3 is formed.
図12は、サンプル3のX線解析結果を示す図である。図12から、回折角2θにおいて、30°から33°の間に、ニッケル酸ランタンの混晶(混晶LNO)のピークトップ位置が確認された。30°から33°の間のピークは、ピークトップ位置に対して非対称であった。この混晶LNOは、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)、La2NiO4(L2NO4)およびLa3Ni2O7(L3N2O7)を主として含むことが確認された。さらに、ニッケル酸ランタン膜3における、ランタンのニッケルに対するモル比(La/Ni)をICP法によって調べたところ、1.54であることが確認された。 FIG. 12 is a diagram showing an X-ray analysis result of Sample 3. From FIG. 12, the peak top position of the mixed crystal of lanthanum nickelate (mixed crystal LNO) was confirmed between 30 ° and 33 ° at the diffraction angle 2θ. The peak between 30 ° and 33 ° was asymmetric with respect to the peak top position. This mixed crystal LNO was confirmed to contain mainly LaNiO 2 (LNO 2 ), LaNiO 3 (LNO 3 ), La 2 NiO 4 (L 2 NO 4 ), and La 3 Ni 2 O 7 (L 3 N 2 O 7 ). Further, when the molar ratio of lanthanum to nickel (La / Ni) in the lanthanum nickelate film 3 was examined by the ICP method, it was confirmed to be 1.54.
ニッケル酸ランタン膜を成膜するための基板を積層体に変えた以外は、上記シリコン基板の場合と同様にしてニッケル酸ランタン膜4を形成してサンプル4を得た。本実験例で用いた積層体は、上記(2)−1.で述べた積層体と同じである。すなわち、積層体は、(110)配向のシリコン基板上に、酸化シリコン層、酸化ジルコニウム層、白金層を形成したものである。
A
図13は、サンプル4のX線解析結果を示す図である。図13から、図12と同様に、回折角2θにおいて、30°から33°の間に、ニッケル酸ランタンの混晶(混晶LNO)のピークが確認された。30°から33°の間のピークは、ピークトップ位置に対して非対称であった。この混晶は、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)およびLa2NiO4(L2NO4)を主として含むことが確認された。
FIG. 13 is a diagram showing an X-ray analysis result of
以上のことから、ニッケル酸ランタン膜は、混晶の成分が成膜温度に依存することが確認された。具体的には、成膜温度が150℃から250℃では、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)およびLa2NiO4(L2NO4)を主として含む混晶が得られ、成膜温度が400℃から600℃では、LaNiO2(LNO2)、LaNiO3(LNO3)、La2NiO4(L2NO4)およびLa3Ni2O7(L3N2O7)を含むことが確認された。さらに、成膜温度によって、混晶におけるランタンとニッケルの組成比も異なることが確認された。 From the above, it was confirmed that the mixed crystal component of the lanthanum nickelate film depends on the deposition temperature. Specifically, when the film formation temperature is 150 ° C. to 250 ° C., a mixed crystal mainly containing LaNiO 2 (LNO 2 ), LaNiO 3 (LNO 3 ) and La 2 NiO 4 (L 2 NO 4 ) is obtained, and the film formation temperature is 400 ° C. From 600 to 600 ° C., it was confirmed that LaNiO 2 (LNO2), LaNiO 3 (LNO3), La 2 NiO 4 (L2NO4) and La 3 Ni 2 O 7 (L3N2O7) were contained. Furthermore, it was confirmed that the composition ratio of lanthanum and nickel in the mixed crystal varies depending on the film formation temperature.
(3)スパッタ法によるニッケル酸ランタンの配向率依存性
図14は、ロータリーマグネトロンスパッタ法と固定スパッタ法を用いた時の成膜温度と結晶の配向率との関係を示す図である。図14に示す配向率は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて21°から25°の間のピークトップ位置の強度を「混晶LNO強度A」とし、30°から33°の間のピークトップ位置の強度を「混晶LNO強度B」としたとき、
配向率=混晶LNO強度A/(混晶LNO強度A+混晶LNO強度B)
と、表される。
(3) Dependence of Lanthanum Nickelate Orientation by Sputtering Method FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the film formation temperature and the crystal orientation when using the rotary magnetron sputtering method and the fixed sputtering method. The orientation ratio shown in FIG. 14 is obtained by setting the intensity at the peak top position between 21 ° and 25 ° at the diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by the θ-2θ method using CuKα rays as “mixed crystal LNO intensity A”. When the intensity of the peak top position between ° and 33 ° is “mixed crystal LNO intensity B”,
Orientation ratio = mixed crystal LNO strength A / (mixed crystal LNO strength A + mixed crystal LNO strength B)
It is expressed.
図14において、符号aは、ロータリーマグネトロンスパッタ法を用いたときのグラフであり、符号bは、固定スパッタ法を用いたときのグラフである。 In FIG. 14, the symbol a is a graph when the rotary magnetron sputtering method is used, and the symbol b is a graph when the fixed sputtering method is used.
図14からロータリーマグネトロンスパッタ法を用いた場合には、成膜温度が約150℃から350℃のとき約60%以上の配向率が得られることがわかった。 FIG. 14 shows that when the rotary magnetron sputtering method is used, an orientation ratio of about 60% or more can be obtained when the film forming temperature is about 150 ° C. to 350 ° C.
これに対し、固定スパッタ法を用いた場合には、成膜温度が約250℃より高いときに約60%以上の配向率が得られることがわかった。 On the other hand, it was found that when the fixed sputtering method is used, an orientation ratio of about 60% or more can be obtained when the film forming temperature is higher than about 250 ° C.
(4)圧電体層の結晶配向性
以下に、ニッケル酸ランタンの混晶膜を配向層として用いた場合と、このような混晶膜を用いない場合の圧電体層の結晶配向性について調べた結果について述べる。
(4) Crystal Orientation of Piezoelectric Layer In the following, the crystal orientation of a piezoelectric layer when a mixed crystal film of lanthanum nickelate was used as the orientation layer and when such a mixed crystal film was not used was investigated. Describe the results.
(4)−1.配向層を用いた実験例
白金層の上に、上記(2)−1.で述べた条件と同じ条件でロータリーマグネトロンスパッタ法によって、膜厚40nmのニッケル酸ランタン膜を形成した。さらに、当該ニッケル酸ランタン膜の上にゾルゲル法によって1.3μmのPZT層を形成した。このPZT層は、以下のようにして形成した。まず、ゾルゲル原料を白金層上に塗布した後、100〜150℃で仮焼成した後、400℃で脱脂し、さらに酸素雰囲気中にて700℃で焼成した。この工程を所望の膜厚になるまで繰り返すことによってPZT層が形成された。このようにして得られた積層体をサンプル5という。
(4) -1. Experimental example using alignment layer Above (2) -1. A lanthanum nickelate film having a film thickness of 40 nm was formed by a rotary magnetron sputtering method under the same conditions as described above. Further, a 1.3 μm PZT layer was formed on the lanthanum nickelate film by a sol-gel method. This PZT layer was formed as follows. First, after applying the sol-gel raw material on the platinum layer, it was calcined at 100 to 150 ° C., degreased at 400 ° C., and further calcined at 700 ° C. in an oxygen atmosphere. A PZT layer was formed by repeating this process until a desired film thickness was obtained. The laminated body thus obtained is referred to as Sample 5.
図15において符号aで示す図は、サンプル5について行った、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の結果である。図15より、サンプル5では、圧電体層であるPZTに由来する強いピークトップ位置が確認された。また、図15の回折結果から、PZT(100)の配向率を求めたところ、96〜99であった。ここで、PZT配向率は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて21°から25°の間のピークトップ位置の強度を「PZT(100)強度」とし、30°から33°の間のピークトップ位置の強度を「PZT(110)強度」とし、37°から39°の間のピークトップ位置の強度を「PZT(111)強度」としたとき、
PZT(100)の配向率=PZT(100)強度/(PZT(100)強度+PZT(110)強度+PZT(111)強度)
と、表される。さらに、CuKα線を用いたロッキングカーブ法でPZT(200)の半値幅を求めたところ、10.4°であった。
15 is a result of X-ray diffraction performed on Sample 5 by the θ-2θ method using CuKα rays. From FIG. 15, in sample 5, a strong peak top position derived from PZT which is a piezoelectric layer was confirmed. Moreover, when the orientation rate of PZT (100) was calculated | required from the diffraction result of FIG. 15, it was 96-99. Here, the PZT orientation ratio is defined as the intensity of the peak top position between 21 ° and 25 ° at the diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by the θ-2θ method using CuKα rays is “PZT (100) intensity”. When the intensity at the peak top position between ° and 33 ° is “PZT (110) intensity” and the intensity at the peak top position between 37 ° and 39 ° is “PZT (111) intensity”,
Orientation ratio of PZT (100) = PZT (100) strength / (PZT (100) strength + PZT (110) strength + PZT (111) strength)
It is expressed. Furthermore, when the half width of PZT (200) was determined by the rocking curve method using CuKα rays, it was 10.4 °.
(4)−2.配向層を用いない実験例
白金層の上に、ニッケル酸ランタンの混晶からなる配向層を用いる代わりに、シード層として4nmのチタン層を用いた以外は、上記(4)−1.と同様にしてサンプルを得た。このようにして得られた積層体を比較用のサンプル6という。
(4) -2. Experimental example using no alignment layer The above (4) -1, except that a 4 nm titanium layer was used as a seed layer instead of using an alignment layer made of a mixed crystal of lanthanum nickelate on the platinum layer. A sample was obtained in the same manner as above. The laminate thus obtained is referred to as a comparative sample 6.
図15において符号bで示す図は、サンプル6について行った、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の結果である。図15より、比較用のサンプル6では、圧電体層であるPZTに由来するピークが確認されたが、このピークはサンプル5に比べて小さいものであった。図15の回折結果から、PZT(100)の配向率を求めたところ、90〜95であった。また、PZT(200)のピークの半値幅を求めたところ、22.4°であった。 In FIG. 15, the diagram indicated by symbol b is the result of X-ray diffraction performed on Sample 6 by the θ-2θ method using CuKα rays. From FIG. 15, a peak derived from PZT which is a piezoelectric layer was confirmed in the sample 6 for comparison, but this peak was smaller than that in the sample 5. From the diffraction result of FIG. 15, the orientation ratio of PZT (100) was determined to be 90 to 95. Moreover, it was 22.4 degrees when the half width of the peak of PZT (200) was calculated | required.
以上のことから、本実験例のサンプル5は、比較用のサンプル6に比べて、PZT層の結晶配向性が高く、しかもピークの半値幅が小さく、結晶軸がより揃っていることが確認された。 From the above, it is confirmed that Sample 5 of this experimental example has higher crystal orientation of the PZT layer, smaller peak half-value width, and more aligned crystal axes than Comparative Sample 6. It was.
(5)配向層の違いによる耐電圧試験
本実施形態に係るニッケル酸ランタンの混晶を配向層として用いたサンプル7と、LaNiO3を配向層として用いた比較用のサンプル8とについて行った、耐電圧試験について述べる。その結果を図16に示す。図16において、符号aで示すグラフは、サンプル7の結果を示し、符号bで示すグラフは、比較用のサンプル8の結果を示す。
(5) Dielectric strength test by difference in alignment layer The
上記(2)−1.で述べたサンプル2と同じようにして作製したサンプル7について印加電圧を変化させてクラックの発生を調べた。その結果、サンプル7では、約80Vの電圧を印加しても圧電体層(PZT層)にクラックがほとんど発生せず、圧電素子が破壊されないことを確認した。
(2) -1. The occurrence of cracks was examined by changing the applied voltage for
これに対し、LaNiO3を配向層として用いた比較用のサンプル8では、約35Vで圧電体層にクラックが発生しはじめ、約40Vで素子が破壊された。なお、比較用のサンプル8は、PLD(パルスレーザーデポジション)法によってSi基板上にYBCO/CeO2/YSZバッファ層を形成し、その上に(100)配向のニッケル酸ランタン膜(LaNiO3)をエピタキシャル成長させたものである。 On the other hand, in the comparative sample 8 using LaNiO 3 as the alignment layer, cracks started to occur in the piezoelectric layer at about 35V, and the element was destroyed at about 40V. In the sample 8 for comparison, a YBCO / CeO 2 / YSZ buffer layer is formed on a Si substrate by a PLD (pulse laser deposition) method, and a (100) -oriented lanthanum nickelate film (LaNiO 3 ) is formed thereon. Is epitaxially grown.
(6)エージング特性
サンプル2と同様にして作製したサンプル9と、ニッケル酸ランタンからなる配向層の代わりにシード層としてチタン層を用いた他はサンプル2と同様に作製した比較用のサンプル10についてエージング特性を調べた。その結果を図17に示す。図17は、横軸が駆動回数(ショット)、縦軸が初期状態からの変位低下率を示す。図17において符号aで示すグラフは、サンプル9の結果を示し、符号bで示すグラフは、比較用のサンプル10の結果を示す。
(6) Aging characteristics Sample 9 produced in the same manner as
エージング特性を調べるための実験条件は、実使用時よりも厳しい条件とした。すなわち、電界強度300kV/cm、駆動信号の周波数50kHzでエージング試験を行った。 The experimental conditions for investigating the aging characteristics were stricter than those during actual use. That is, an aging test was performed at an electric field strength of 300 kV / cm and a drive signal frequency of 50 kHz.
図17から、サンプル9では、変位低下率が5%以内であった。これに対し、比較用サンプル10では、変位低下率が15%以上であった。このことから、本実験例のサンプルは、比較用サンプルに対してエージング工程における変位低下率が格段に小さいことが確認された。
From FIG. 17, in Sample 9, the displacement reduction rate was within 5%. On the other hand, in the
4.液体噴射装置
次に、本実施形態の製造方法によって得られた液体吐出ヘッド50を適用した液体噴射装置の一例としてインクジェットプリンタについて述べる。すなわち、液体吐出ヘッド50を有するインクジェットプリンタの一例について説明する。図9は、インクジェットプリンタ600を示す概略構成図である。インクジェットプリンタ600は、紙などに印刷可能なプリンタとして機能することができる。なお、以下の説明では、図9中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
4). Next, an ink jet printer will be described as an example of a liquid ejecting apparatus to which the
インクジェットプリンタ600は、装置本体620を有し、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。
The
装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を有する印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。
Inside the apparatus
印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642と、を含む。
The
ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数のノズル孔511を有する液体吐出ヘッド50と、この液体吐出ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、液体吐出ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。
The
往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸644と、キャリッジガイド軸644と平行に延在するタイミングベルト643とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸644に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト643の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト643を正逆走行させると、キャリッジガイド軸644に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、液体吐出ヘッド50から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
The
給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。
The
インクジェットプリンタ600によれば、高性能でノズルの高密度化が可能な液体吐出ヘッド50を有するので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらに、インクジェットプリンタ600によれば、エージング特性に優れた液体吐出ヘッド50を有するので、精度の高い印刷を長期に亘って行うことができる。
According to the
なお、インクジェットプリンタ600は、工業的に用いられる液体噴射装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
The
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, it will be readily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.
1 基板、2 絶縁層、3 弾性層、4 下部電極、5 圧電体層、6 上部電極、7 配向層、50 液体吐出ヘッド、51 ノズル板、52 インク室基板、54 圧電素子、55 振動板、511 ノズル孔、521 圧力室、522 側壁、523 リザーバ、524 供給口、531 連通孔、600 インクジェットプリンタ、620 装置本体、621 トレイ、622 排出口、630 ヘッドユニット、631 インクカートリッジ、632 キャリッジ、640 印刷装置、641 キャリッジモータ、642 往復動機構、643 タイミングベルト、644 キャリッジガイド軸、650 給紙装置、651 給紙モータ、652 給紙ローラ、660 制御部,670 操作パネル。 1 substrate, 2 insulating layer, 3 elastic layer, 4 lower electrode, 5 piezoelectric layer, 6 upper electrode, 7 orientation layer, 50 liquid ejection head, 51 nozzle plate, 52 ink chamber substrate, 54 piezoelectric element, 55 vibration plate, 511 Nozzle hole, 521 Pressure chamber, 522 Side wall, 523 Reservoir, 524 Supply port, 531 Communication hole, 600 Inkjet printer, 620 Main body, 621 Tray, 622 Discharge port, 630 Head unit, 631 Ink cartridge, 632 Carriage, 640 Printing Device, 641 Carriage motor, 642 Reciprocating mechanism, 643 Timing belt, 644 Carriage guide shaft, 650 Paper feed device, 651 Paper feed motor, 652 Paper feed roller, 660 Control unit, 670 Operation panel.
Claims (4)
前記下部電極の上方に配向層を形成する工程と、
前記配向層の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含み、
前記配向層は、ランタン酸化物とニッケル酸化物とシリコン化合物とを含むターゲットを用いて、150〜250℃の温度でロータリーマグネトロンスパッタ法によって形成される圧電素子の製造方法。 Forming a lower electrode above the substrate ;
Forming an alignment layer above the lower electrode;
Forming a piezoelectric layer above the alignment layer;
Forming an upper electrode above the piezoelectric layer,
The alignment layer is a method of manufacturing a piezoelectric element formed by a rotary magnetron sputtering method at a temperature of 150 to 250 ° C. using a target including lanthanum oxide, nickel oxide, and a silicon compound.
前記ターゲットに含まれる前記シリコン化合物の割合は、2モル%ないし10モル%である、圧電素子の製造方法。 In claim 1,
The method of manufacturing a piezoelectric element , wherein a ratio of the silicon compound contained in the target is 2 mol% to 10 mol%.
前記配向層は、ニッケル酸ランタンの混晶を含み、
前記混晶は、LaNiO2、LaNiO3、およびLa2NiO4から選択される2種以上のニッケル酸ランタンからなり、また
前記混晶は、CuKα線を用いたθ―2θ法によるX線回折の回折角2θにおいて、21゜から25゜の間にピークトップ位置を有する、圧電素子の製造方法。 In either claim 1 or 2,
The alignment layer includes a mixed crystal of lanthanum nickelate,
The mixed crystal is composed of two or more lanthanum nickelates selected from LaNiO2, LaNiO3, and La2NiO4, and the mixed crystal is at a diffraction angle 2θ of X-ray diffraction by a θ-2θ method using CuKα rays. A method of manufacturing a piezoelectric element having a peak top position between 21 ° and 25 °.
前記ピークトップ位置から21゜までのピーク強度を積分した値をIA、前記ピークトップ位置から25゜までのピーク強度を積分した値をIBとした時、
IA>IB、または、IA<IBとなる、圧電素子の製造方法 In claim 3,
When the value obtained by integrating the peak intensity up to 21 ° from the peak top position is IA, and the value obtained by integrating the peak intensity up to 25 ° from the peak top position is IB,
Piezoelectric element manufacturing method satisfying IA> IB or IA <IB
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