JP5736829B2 - Method for producing electromechanical transducer, electromechanical transducer produced by this production method, ink jet head and ink jet recording apparatus using the same - Google Patents

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Description

本発明は、電気機械変換膜の配向制御層を備える場合に好適な電気機械変換素子の製造方法、この製造方法により製造された電気機械変換素子、及びこれを用いたインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an electromechanical conversion element suitable for the case where an orientation control layer of an electromechanical conversion film is provided, an electromechanical conversion element manufactured by this manufacturing method, an ink jet head using the same, and an ink jet recording apparatus. .

従来、インクジェット記録装置は、騒音が極めて小さく、かつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できる等、多くの利点を有している。このため、インクジェット記録装置は、プリンタ装置、複写機、ファクシミリ装置等の画像記録装置として広く普及している。   2. Description of the Related Art Conventional inkjet recording apparatuses have many advantages such as extremely low noise, high-speed printing, and the ability to use inexpensive plain paper with a high degree of ink freedom. For this reason, inkjet recording apparatuses are widely used as image recording apparatuses such as printers, copiers, and facsimile machines.

この種のインクジェット記録装置では、インクジェットヘッドが使用される。インクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズル部と、このノズル部が連結される加圧室部と、加圧室部内のインクを加圧する圧力発生部とを備えている。   In this type of ink jet recording apparatus, an ink jet head is used. The ink jet head includes a nozzle unit that ejects ink droplets, a pressurizing chamber unit to which the nozzle unit is connected, and a pressure generating unit that pressurizes ink in the pressurizing chamber unit.

圧力発生部には圧力発生手段が設けられている。圧力発生手段としては、加圧室部内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子、あるいはヒータ等の電気熱変換素子、若しくは加圧室部の壁を形成する振動板とこれに対向する電極から成るエネルギ発生手段とを備えたもの等が使用される。   The pressure generating unit is provided with pressure generating means. The pressure generating means opposes an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element that pressurizes ink in the pressurizing chamber, an electrothermal conversion element such as a heater, or a diaphragm that forms the wall of the pressurizing chamber. A thing provided with the energy generation means which consists of electrodes is used.

これらの圧力発生手段の中で、電気機械変換素子を用いたピエゾ型と呼ばれるインクジェットヘッドは、高速化、高密度化、液滴粘度への対応性において他の方式のインクジェットヘッドに比べて優位であることから、現在開発が盛んに行われている。   Among these pressure generating means, the piezo-type ink jet head using electromechanical transducers is superior to other types of ink jet heads in terms of speed, density, and droplet viscosity. Because of this, development is actively underway.

この電気機械変換素子は、下部電極(第1の電極)と、電気機械変換膜と、上部電極(第2の電極)とが積層されて構成されている。この下部電極と上部電極とに通電することにより、電気機械変換膜が変形して加圧室の振動板を押圧し、加圧室内のインクをノズル部から吐出させる。   This electromechanical conversion element is configured by laminating a lower electrode (first electrode), an electromechanical conversion film, and an upper electrode (second electrode). By energizing the lower electrode and the upper electrode, the electromechanical conversion film is deformed to press the diaphragm of the pressurizing chamber, and the ink in the pressurizing chamber is ejected from the nozzle portion.

そして、インクジェットヘッドは複数の加圧室部を有している。これら加圧室部のそれぞれにインク吐出の圧力を発生させるために、加圧室部ごとに個別の電気機械変換素子が配置されている。   The ink jet head has a plurality of pressurizing chambers. In order to generate ink discharge pressure in each of the pressurizing chambers, an individual electromechanical conversion element is arranged for each pressurizing chamber.

電気機械変換膜としては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)セラミックス等が用いられる。これは複数の金属酸化物を主成分としているので、一般に金属複合酸化物と称される。   As the electromechanical conversion film, lead zirconate titanate (PZT) ceramics or the like is used. Since this is mainly composed of a plurality of metal oxides, it is generally called a metal composite oxide.

一方、この種の電気機械変換素子は、電気機械変換膜の結晶配向によって変位特性が大きく変化することが知られている。すなわち、電気機械変換膜の結晶性を向上することにより、電気機械変換素子の変位量が大きくなるとともに、電気機械変換膜の破壊を抑制して耐久性を向上することができる。このため、電気機械変換膜の結晶を所定配向にした電気機械変換素子が提案されている。   On the other hand, it is known that the displacement characteristics of this type of electromechanical transducer vary greatly depending on the crystal orientation of the electromechanical transducer film. That is, by improving the crystallinity of the electromechanical conversion film, the amount of displacement of the electromechanical conversion element can be increased, and the durability can be improved by suppressing breakage of the electromechanical conversion film. For this reason, an electromechanical conversion element has been proposed in which the crystals of the electromechanical conversion film have a predetermined orientation.

例えば、シリコン基板に、下部電極と、配向制御層と、電気機械変換膜と、上部電極とが積層されて成る電気機械変換素子が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。   For example, an electromechanical conversion element in which a lower electrode, an orientation control layer, an electromechanical conversion film, and an upper electrode are stacked on a silicon substrate has been developed (see, for example, Patent Document 1).

この電気機械変換素子では、配向制御層は、下部電極の上面側にニッケル酸ランタン(LaNi)をスパッタ法で成膜することにより形成されている。このようなニッケル酸ランタンから成る配向制御層は、下部電極の面方位の影響を実質的に受けず、ペロブスカイト構造の結晶からなり且つ結晶面方位が(111)に優先配向したものとなっている。また、この配向制御層の厚さとしては、膜厚2nm〜50nmとされている。 In this electromechanical transducer, the orientation control layer is formed by depositing lanthanum nickelate (LaNi y O x ) on the upper surface side of the lower electrode by sputtering. Such an orientation control layer made of lanthanum nickelate is substantially unaffected by the plane orientation of the lower electrode, is made of a crystal having a perovskite structure, and the crystal plane orientation is preferentially oriented to (111). . The thickness of the orientation control layer is 2 nm to 50 nm.

配向制御層の上面側にPZTから成る電気機械変換膜が形成されている。電気機械変換膜は、配向制御層の結晶配向の影響を受けてエピタキシャル成長することで、結晶面方位が(111)に配向している。   An electromechanical conversion film made of PZT is formed on the upper surface side of the orientation control layer. The electromechanical conversion film is epitaxially grown under the influence of the crystal orientation of the orientation control layer, so that the crystal plane orientation is oriented to (111).

ここで、配向制御層の製造方法としては、スパッタ法等の真空成膜法が採用されている。真空成膜法では、必要な部位のみに部分的に成膜することは不可能であるので、下部電極の上面側の全域に成膜がなされる。そして、全面に形成された膜から必要な部分をフォトリソグラフィー及びエッチングによってパターニング除去をして、所望の成膜パターンを得るようにしている。   Here, as a method for manufacturing the orientation control layer, a vacuum film forming method such as a sputtering method is employed. In the vacuum film forming method, it is impossible to form a film only on a necessary portion, and therefore, the film is formed on the entire upper surface side of the lower electrode. Then, a necessary portion is removed from the film formed on the entire surface by photolithography and etching to obtain a desired film formation pattern.

しかしながら、上述した電気機械変換素子では、配向制御層の製造方法として真空成膜法が採用されているので、下部電極の全面に成膜されてしまい、成膜後にフォトリソグラフィー及びエッチングの処理が必要となり、作業が煩雑になるという問題があった。しかも、除去される部位の材料は無駄になってしまうので、無駄を少なくしてコストを削減することが望まれていた。   However, in the electromechanical conversion element described above, since the vacuum film formation method is adopted as the method for manufacturing the orientation control layer, the film is formed on the entire surface of the lower electrode, and photolithography and etching processes are necessary after the film formation. Thus, there is a problem that the work becomes complicated. In addition, since the material of the part to be removed is wasted, it has been desired to reduce the cost by reducing the waste.

真空成膜法以外の成膜法として、例えばゾルゲル法の1つであるスピン成膜法が知られている。しかし、スピン成膜法であっても、下部電極の全面に成膜されてしまうので、上述した真空成膜法と同様の問題が生じてしまう。しかも、スピン成膜法では、成膜可能な膜厚の下限値が30nmであり、それより薄い膜厚の配向制御層を形成しようとすると、膜質が不均一になってしまう可能性がある。このため、所望の厚さの配向制御層を成膜できない場合がある。   As a film forming method other than the vacuum film forming method, for example, a spin film forming method which is one of sol-gel methods is known. However, even with the spin film formation method, since the film is formed on the entire surface of the lower electrode, the same problem as the vacuum film formation method described above occurs. In addition, in the spin film formation method, the lower limit value of the film thickness that can be formed is 30 nm, and if an orientation control layer having a thinner film thickness is to be formed, the film quality may become non-uniform. For this reason, an orientation control layer having a desired thickness may not be formed.

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、配向制御層を成膜する際に全面成膜することなく必要な部分だけパターニングして成膜できるとともに、配向制御層を薄膜化できる電気機械変換素子の製造方法、この製造方法により製造された電気機械変換素子、及びこれを用いたインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and when forming an orientation control layer, it is possible to form a film by patterning only a necessary portion without forming the entire surface, and to reduce the thickness of the orientation control layer. An object of the present invention is to provide a method for producing an electromechanical conversion element, an electromechanical conversion element produced by the production method, an ink jet head using the electromechanical conversion element, and an ink jet recording apparatus.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、上記目的達成のため、基板上に、第1の電極と、配向制御層と、電気機械変換膜と、第2の電極とを積層して成る電気機械変換素子を製造する電気機械変換素子の製造方法において、前記基板の表面側に白金族合金からなる前記第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、前記第1の電極の表面側に、前記配向制御層を形成する配向制御層形成工程と、前記配向制御層の表面側に、前記電気機械変換膜を形成する電気機械変換膜形成工程と、前記電気機械変換膜の表面側に、前記第2の電極を形成する第2の電極形成工程とを備え、前記配向制御層形成工程は、前記第1の電極の表面側の配向制御層前駆体溶液を塗布する第1の部分以外の第2の部分に、前記配向制御層前駆体溶液の付着を阻害する表面改質を施す表面改質工程と、前記表面改質工程により表面改質が施された前記第1の電極の表面側の前記第1の部分に液体吐出ヘッドのノズルを対向させ、ゾルから成る前記配向制御層前駆体溶液を前記ノズルから吐出することにより前記第1の電極の、前記表面改質工程により表面改質が施されていない前記第1の部分に前記配向制御層前駆体溶液を塗布する塗布工程と、前記塗布工程により前記第1の電極の前記第1の部分に塗布した前記配向制御層前駆体溶液を熱処理して前記第1の電極上で結晶化して前記配向制御層を形成する熱処理工程と、酸化物の前記配向制御層が形成された前記第1の電極の表面側に前記表面改質を施すことにより、前記配向制御層が形成された前記第1の部分以外の前記第2の部分に表面改質を施す第2の表面改質工程と、前記第2の表面改質工程により表面改質が施された前記第1の電極の表面側において、前記配向制御層が形成された前記第1の部分に前記液体吐出ヘッドの前記ノズルを対向させ、ゾルから成るPZT前駆体溶液を前記ノズルから吐出することにより前記配向制御層の表面に前記PZT前駆体溶液を塗布する第2の塗布工程と、前記第2の塗布工程により塗布した前記PZT前駆体溶液を熱処理して結晶化することで前記電気機械変換膜を形成する第2の熱処理工程と、を有することを特徴とするものである。 Method for manufacturing electromechanical transducer according to the present invention, for this purpose achieve, on a substrate, formed by laminating a first electrode, an orientation control layer, and the electro-mechanical conversion film, and a second electrode In the method of manufacturing an electromechanical conversion element for manufacturing an electromechanical conversion element, a first electrode forming step of forming the first electrode made of a platinum group alloy on the surface side of the substrate, and a surface of the first electrode An alignment control layer forming step for forming the alignment control layer on the side, an electromechanical conversion film forming step for forming the electromechanical conversion film on the surface side of the alignment control layer, and a surface side of the electromechanical conversion film in, e Bei a second electrode forming step of forming the second electrode, the orientation control layer forming step, first of applying the first alignment control layer precursor solution on the surface side of the electrode In the second part other than the part, adhesion of the alignment control layer precursor solution is prevented. A surface modification step of subjecting the surface modification of the nozzle of the liquid discharge head is opposed to the first portion of the surface side of the first electrode surface modification is performed by the surface modification step, By discharging the alignment control layer precursor solution made of sol from the nozzle, the alignment control layer precursor is applied to the first portion of the first electrode that has not been surface-modified by the surface modification step. a coating step of coating a body solution, and crystallized from the coating step by the first of the orientation control layer was coated on the first portion of the electrode precursor solution to heat treatment to the first on the electrode the A heat treatment step for forming an orientation control layer, and the surface modification of the first electrode on which the orientation control layer is formed of an oxide, the surface modification is performed, whereby the first orientation control layer is formed. Surface modification to the second part other than the part In the first portion where the orientation control layer is formed on the surface side of the first electrode subjected to the surface modification by the second surface modification step and the second surface modification step. A second application step of applying the PZT precursor solution to the surface of the orientation control layer by causing the nozzle of the liquid discharge head to face each other and discharging a PZT precursor solution made of sol from the nozzle; it is characterized in that chromatic and second heat treatment step of forming the electro-mechanical conversion film by crystallization annealing the PZT precursor solution applied by the second applying step.

これにより、配向制御層形成工程において液体吐出ヘッド(すなわち、インクジェットヘッド)を利用したゾルゲル法により配向制御層が形成されているので、第1の電極に配向制御層を成膜する際に全面成膜することなく、選択的に必要な部分だけパターニングして成膜することができる。   Accordingly, since the alignment control layer is formed by the sol-gel method using a liquid discharge head (that is, an inkjet head) in the alignment control layer forming step, the entire surface is formed when the alignment control layer is formed on the first electrode. Without forming a film, it is possible to form a film by selectively patterning only necessary portions.

このため、従来のように配向制御層の製造方法として真空成膜法やスピン成膜法を採用した場合のように第1の電極の全面に成膜されることがないので、成膜後のフォトリソグラフィー及びエッチングの工程が不要となる。また、したがって、配向制御層の形成作業が簡易になるとともに、従来は最終的に除去されていた不必要な部分への配向制御層前駆体溶液の塗布が無くなるのでコスト削減に貢献することができる。   For this reason, the film is not formed on the entire surface of the first electrode unlike the conventional case where the vacuum film formation method or the spin film formation method is adopted as the method of manufacturing the orientation control layer. Photolithography and etching steps are not necessary. Therefore, the alignment control layer can be easily formed, and the application of the alignment control layer precursor solution to unnecessary portions that have been finally removed in the past can be eliminated, thereby contributing to cost reduction. .

また、液体吐出ヘッドを利用したゾルゲル法により配向制御層を形成しているので、従来のように真空成膜法やスピン成膜法により膜形成した場合に比べて、配向制御層の薄膜化を図ることができる。これにより、配向制御層の配向度が高くなるので(図10を参照。)、電気機械変換膜の変位特性を向上することができる。   In addition, since the alignment control layer is formed by a sol-gel method using a liquid discharge head, the alignment control layer can be made thinner than in the case of forming a film by vacuum film formation or spin film formation as in the past. Can be planned. As a result, the degree of orientation of the orientation control layer is increased (see FIG. 10), so that the displacement characteristics of the electromechanical conversion film can be improved.

ここで、例えば、第1の電極が貴金属元素である場合、第1の電極の表面側は濡れ性を示すので、配向制御層前駆体溶液を塗布すると同心円状に濡れ広がる虞がある。これに対し、本発明に係る電気機械変換素子の製造方法によれば、第1の電極の表面側の配向制御層前駆体溶液を塗布する部分以外の部分に配向制御層前駆体溶液が付着し難くなる。これにより、所望パターンの配向制御層を高精度に形成することができる。   Here, for example, when the first electrode is a noble metal element, the surface side of the first electrode exhibits wettability, and therefore there is a possibility that the alignment control layer precursor solution spreads in a concentric manner. On the other hand, according to the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention, the alignment control layer precursor solution adheres to a portion other than the portion to which the alignment control layer precursor solution on the surface side of the first electrode is applied. It becomes difficult. Thereby, the orientation control layer having a desired pattern can be formed with high accuracy.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、前記配向制御層前駆体溶液は、少なくとも鉛とチタンとを含むチタン酸鉛前駆体溶液であることが好ましい。   In the method for manufacturing an electromechanical conversion element according to the present invention, the orientation control layer precursor solution is preferably a lead titanate precursor solution containing at least lead and titanium.

これにより、配向制御層としてチタン酸鉛層を形成することができるので、配向制御層の配向度を高めて電気機械変換膜の変位特性を向上することができる。   Thereby, since the lead titanate layer can be formed as the orientation control layer, the degree of orientation of the orientation control layer can be increased and the displacement characteristics of the electromechanical conversion film can be improved.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、前記チタン酸鉛前駆体溶液は、少なくとも酢酸鉛とチタン塩とを含むことが好ましい。   In the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention, the lead titanate precursor solution preferably contains at least lead acetate and a titanium salt.

これにより、配向制御層としてチタン酸鉛層を形成することができるので、配向制御層の配向度を高めて電気機械変換膜の変位特性を向上することができる。ここでのチタン塩としては、例えば、アルコキシド、塩化物、硝酸塩、酢酸塩等が挙げられる。   Thereby, since the lead titanate layer can be formed as the orientation control layer, the degree of orientation of the orientation control layer can be increased and the displacement characteristics of the electromechanical conversion film can be improved. Examples of the titanium salt here include alkoxide, chloride, nitrate, acetate, and the like.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、前記配向制御層の膜厚は、2nm〜50nmであることが好ましい。   In the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention, the film thickness of the orientation control layer is preferably 2 nm to 50 nm.

これにより、配向制御層は十分薄膜となるので、配向制御層の配向度を高めて電気機械変換膜の変位特性を向上することができる。   Thereby, since the orientation control layer is sufficiently thin, the degree of orientation of the orientation control layer can be increased and the displacement characteristics of the electromechanical conversion film can be improved.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、前記配向制御層による前記電気機械変換膜の優先配向は(111)であることが好ましい。   In the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention, the preferred orientation of the electromechanical transducer film by the orientation control layer is preferably (111).

これにより、配向制御層に成膜される電気機械変換膜の結晶面方位が(111)に配向されるので、電気機械変換膜の変位特性を向上することができる。   Thereby, since the crystal plane orientation of the electromechanical conversion film formed on the orientation control layer is oriented to (111), the displacement characteristics of the electromechanical conversion film can be improved.

本発明に係る電気機械変換素子の製造方法は、前記電気機械変換膜は、鉛、ジルコニウム、チタンの少なくともいずれか1つを含むことが好ましい。   In the method for manufacturing an electromechanical conversion element according to the present invention, the electromechanical conversion film preferably includes at least one of lead, zirconium, and titanium.

これにより、電気機械変換膜の変位特性が向上するので、電気機械変換素子の変位量が大きくなるとともに、電気機械変換膜の耐久性が高くなる。   Thereby, since the displacement characteristic of the electromechanical conversion film is improved, the displacement amount of the electromechanical conversion element is increased, and the durability of the electromechanical conversion film is increased.

本発明に係る電気機械変換素子は、上述した電気機械変換素子の製造方法により製造したことを特徴とするものである。これにより、変位量の大きい電気機械変換素子を安価に得ることができる。   The electromechanical transducer according to the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing an electromechanical transducer. Thereby, an electromechanical transducer having a large displacement can be obtained at a low cost.

本発明に係るインクジェットヘッドは、上述した電気機械変換素子を備えたことを特徴とするものである。これにより、変位量の大きい安価な電気機械変換素子を利用することにより、高性能のインクジェットヘッドを安価に得ることができる。   An ink jet head according to the present invention includes the above-described electromechanical conversion element. Thereby, a high-performance inkjet head can be obtained at low cost by using an inexpensive electromechanical transducer having a large displacement.

本発明に係るインクジェット記録装置は、上述した液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とするものである。これにより、変位量の大きい安価な電気機械変換素子を利用することにより、高性能のインクジェット記録装置を得ることができる。   An ink jet recording apparatus according to the present invention includes the liquid discharge head described above. Accordingly, a high-performance ink jet recording apparatus can be obtained by using an inexpensive electromechanical transducer having a large displacement.

本発明によれば、液体吐出ヘッドを利用したゾルゲル法により配向制御層が形成されるので、配向制御層を成膜する際に全面成膜することなく必要な部分だけパターニングして成膜できるとともに、配向制御層を薄膜化できる電気機械変換素子の製造方法、この製造方法により製造された電気機械変換素子、及びこれを用いたインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置を提供することができる。   According to the present invention, since the alignment control layer is formed by a sol-gel method using a liquid discharge head, it is possible to form a film by patterning only a necessary portion without forming the entire surface when forming the alignment control layer. In addition, it is possible to provide an electromechanical conversion element manufacturing method capable of making the orientation control layer thin, an electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method, an ink jet head using the same, and an ink jet recording apparatus.

本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子を搭載したインクジェットヘッドを示す概略の縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the inkjet head carrying the electromechanical conversion element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子を搭載したインクジェットヘッドを示す一部を切断した状態の一部分解した斜視図である。1 is a partially exploded perspective view showing a state in which a part of an inkjet head equipped with an electromechanical transducer according to an embodiment of the present invention is cut. 本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法における配向制御層形成工程を示す概略図であり、(a)は白金族電極にSAM膜を形成した状態、(b)はフォトレジストをパターン形成した状態、(c)はフォトレジストの無い部分のSAM膜を除去してから全てのフォトレジストを除去した状態、(d)はSAM膜の無い部分に配向制御層前駆体溶液を塗布した状態、(e)は配向制御層前駆体溶液に熱処理を加えて配向制御層を形成し全てのSAM膜を除去した状態をそれぞれ示す。It is the schematic which shows the orientation control layer formation process in the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on embodiment of this invention, (a) is the state which formed the SAM film in the platinum group electrode, (b) is a photoresist. (C) is a state where a pattern is formed, (c) is a state where all the photoresist is removed after removing a portion of the SAM film where no photoresist is present, and (d) is a case where the alignment control layer precursor solution is applied to a portion where the SAM film is not present State (e) shows a state in which the alignment control layer is formed by applying a heat treatment to the alignment control layer precursor solution and all the SAM films are removed. 本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法における電気機械変換膜形成工程を示す概略図であり、(a)は配向制御層の無い部分にSAM膜を形成した状態、(b)は配向制御層にPZT前駆体溶液を塗布した状態、(c)はPZT前駆体溶液に熱処理を加えて電気機械変換膜を形成し全てのSAM膜を除去した状態をそれぞれ示す。It is the schematic which shows the electromechanical conversion film formation process in the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on embodiment of this invention, (a) is the state which formed the SAM film in the part without an orientation control layer, (b) Shows a state in which the PZT precursor solution is applied to the orientation control layer, and (c) shows a state in which the PZT precursor solution is subjected to heat treatment to form an electromechanical conversion film and all SAM films are removed. 本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法により電気機械変換素子を製造するための液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出塗布装置を示す概略の斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a liquid discharge coating apparatus equipped with a liquid discharge head for manufacturing an electromechanical conversion element by an electromechanical conversion element manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を示す概略の斜視図である。1 is a schematic perspective view showing an ink jet recording apparatus equipped with an ink jet head according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を示す概略の横断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an inkjet recording apparatus equipped with an inkjet head according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例8に係る電気機械変換素子における電気機械変換膜のP−Eヒステリシス曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the PE hysteresis curve of the electromechanical conversion film | membrane in the electromechanical conversion element which concerns on Example 8 of this invention. 本発明の実施例8に係る電気機械変換素子における電気機械変換膜のXRD分析による角度と強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the angle and the intensity | strength by the XRD analysis of the electromechanical conversion film in the electromechanical conversion element which concerns on Example 8 of this invention. 本発明の実施例10に係る電気機械変換素子における電気機械変換膜のXRD分析による配向制御層の膜厚と配向度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the film thickness of the orientation control layer by the XRD analysis of the electromechanical conversion film in the electromechanical conversion element which concerns on Example 10 of this invention, and orientation degree. 本発明の実施例10に係る電気機械変換素子における電気機械変換膜のP−Eヒステリシス曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the PE hysteresis curve of the electromechanical conversion film | membrane in the electromechanical conversion element which concerns on Example 10 of this invention. 本発明の実施例1に係る電気機械変換素子の製造方法において、SAM膜を配置したままの表面における純水の接触角の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the contact angle of the pure water in the surface with the SAM film | membrane arrange | positioned in the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る電気機械変換素子の製造方法において、SAM膜を除去した電極露出面における純水の接触角の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the contact angle of the pure water in the electrode exposure surface which removed the SAM film | membrane in the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on Example 1 of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図1および図2を参照して、本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法により製造された電気機械変換素子を備えたインクジェットヘッドについて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the inkjet head provided with the electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.

本実施の形態のインクジェットヘッド1は、ノズル板10と、シリコン基板20と、振動板30と、電気機械変換素子40とを積層して備えている。すなわち、このインクジェットヘッド1は、ノズル板10のノズル孔11からインク液滴を吐出させるサイドシュータータイプのものである。   The inkjet head 1 according to this embodiment includes a nozzle plate 10, a silicon substrate 20, a vibration plate 30, and an electromechanical conversion element 40 that are stacked. That is, the inkjet head 1 is of a side shooter type that discharges ink droplets from the nozzle holes 11 of the nozzle plate 10.

シリコン基板20は、厚さ方向に貫通して形成される複数の加圧室21と、共通液室22と、各加圧室21と共通液室22とをそれぞれ連結する流体抵抗通路23とを備えている。これにより、共通液室22に流入されたインクは、各流体抵抗通路23を流通して各加圧室21に供給される。各加圧室21と、各流体抵抗通路23と、共通液室22とは、隔壁24により仕切られている。   The silicon substrate 20 includes a plurality of pressurizing chambers 21 formed so as to penetrate in the thickness direction, a common liquid chamber 22, and fluid resistance passages 23 respectively connecting the pressurizing chambers 21 and the common liquid chamber 22. I have. As a result, the ink that has flowed into the common liquid chamber 22 flows through each fluid resistance passage 23 and is supplied to each pressure chamber 21. Each pressurizing chamber 21, each fluid resistance passage 23, and the common liquid chamber 22 are partitioned by a partition wall 24.

ノズル板10は、加圧室21ごとにノズル孔11を備えている。振動板30は、共通液室22に対向する部位が開口されて成るインク供給口31を備えている。このインク供給口31は、液滴として吐出されるインクを共通液室22に外部から供給できるようになっている。   The nozzle plate 10 includes a nozzle hole 11 for each pressurizing chamber 21. The vibration plate 30 includes an ink supply port 31 formed by opening a portion facing the common liquid chamber 22. The ink supply port 31 can supply ink discharged as droplets to the common liquid chamber 22 from the outside.

電気機械変換素子40は、第1の電極としての下部電極41と、配向制御層42と、電気機械変換膜43と、第2の電極としての上部電極44とを積層して備えている。下部電極41は、積層された酸化物電極45および白金族電極46を備えている。   The electromechanical transducer 40 includes a lower electrode 41 as a first electrode, an orientation control layer 42, an electromechanical transducer film 43, and an upper electrode 44 as a second electrode. The lower electrode 41 includes a stacked oxide electrode 45 and a platinum group electrode 46.

下部電極41は、振動板30の全域に形成されている。配向制御層42と、電気機械変換膜43と、上部電極44とは、加圧室21ごとに対応する位置に別個に設けられている。これにより、一の上部電極44に電圧を印加することにより、その上部電極44に対応する加圧室21のみに圧力を加えることができるようになり、加圧室21ごとに別個に制御することができるようになっている。   The lower electrode 41 is formed throughout the diaphragm 30. The orientation control layer 42, the electromechanical conversion film 43, and the upper electrode 44 are separately provided at positions corresponding to the pressurizing chambers 21. As a result, by applying a voltage to one upper electrode 44, it becomes possible to apply pressure only to the pressurizing chamber 21 corresponding to the upper electrode 44, and each pressurizing chamber 21 is controlled separately. Can be done.

次いで、インクジェットヘッド1の動作について説明する。   Next, the operation of the inkjet head 1 will be described.

各加圧室21には、予めインクが満たされているものとする。この状態で、制御部の発振回路(図示せず)により、画像データに基づいて、インクの吐出を行いたいノズル孔11に対応する上部電極44に対して、20Vのパルス電圧が印加される。   Each pressurizing chamber 21 is prefilled with ink. In this state, an oscillation circuit (not shown) of the control unit applies a pulse voltage of 20 V to the upper electrode 44 corresponding to the nozzle hole 11 where ink is to be ejected, based on the image data.

上部電極44から電気機械変換素子40に電圧パルスが印加されることにより、電気機械変換膜43は電歪効果によって瞬間的に振動板30と平行方向に縮む。これにより、振動板30が加圧室21の内部に向けて撓み、加圧室21内の圧力が急激に上昇して、加圧室21に連通するノズル孔11からインクが吐出される。   By applying a voltage pulse from the upper electrode 44 to the electromechanical conversion element 40, the electromechanical conversion film 43 is instantaneously contracted in a direction parallel to the diaphragm 30 by the electrostrictive effect. As a result, the vibration plate 30 bends toward the inside of the pressurizing chamber 21, the pressure in the pressurizing chamber 21 rises rapidly, and ink is ejected from the nozzle hole 11 communicating with the pressurizing chamber 21.

パルス電圧印加後は縮んだ電気機械変換膜43が元の形状に戻るので、撓んだ振動板30も元の形状に戻る。このため、加圧室21内が共通液室22内に比べて負圧となり、共通液室22から流体抵抗通路23を流通してインクが加圧室21内に供給される。   After application of the pulse voltage, the contracted electromechanical conversion film 43 returns to its original shape, so that the deflected diaphragm 30 also returns to its original shape. For this reason, the inside of the pressurizing chamber 21 becomes a negative pressure compared to the inside of the common liquid chamber 22, and the ink is supplied from the common liquid chamber 22 through the fluid resistance passage 23 into the pressurizing chamber 21.

以上の動作を繰り返すことにより、インク液滴を連続的に吐出することができる。そして、インクジェットヘッド1に対向して配置された記録媒体に画像が形成される。   By repeating the above operation, ink droplets can be ejected continuously. Then, an image is formed on a recording medium disposed facing the inkjet head 1.

次に、本発明の実施の形態に係る電気機械変換素子40の製造方法により、電気機械変換素子40を製造する手順について、図3および図4を参照して説明する。   Next, a procedure for manufacturing the electromechanical transducer 40 by the method for manufacturing the electromechanical transducer 40 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

まず、シリコン基板20と、埋め込みシリコン酸化膜と、活性層シリコンとを順に積層して成るSOI(Silicon On Insulator)基板を用意する。そして、活性層シリコンの表面側に一般的な熱酸化法により処理を施し、シリコン酸化膜を形成する。   First, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is prepared by sequentially laminating a silicon substrate 20, a buried silicon oxide film, and active layer silicon. Then, the surface side of the active layer silicon is processed by a general thermal oxidation method to form a silicon oxide film.

各層の厚さとしては、例えば、シリコン基板20は400μm、埋め込みシリコン酸化膜は500nm、活性層シリコンは2μm、シリコン酸化膜は300nmとしている。これら埋め込みシリコン酸化膜と、活性層シリコンと、シリコン酸化膜とは、振動板30を構成している。   The thickness of each layer is, for example, 400 μm for the silicon substrate 20, 500 nm for the buried silicon oxide film, 2 μm for the active layer silicon, and 300 nm for the silicon oxide film. The buried silicon oxide film, the active layer silicon, and the silicon oxide film constitute a vibration plate 30.

ここで、振動板30の表面側に形成される下部電極41は、電気機械変換素子40に信号入力する際の共通電極として電気的に接続される。このため、下部電極41の下に積層される振動板30は絶縁体であるか、もしくは導体であれば絶縁処理を施して用いる必要がある。そこで、本実施形態では、振動板30は、いずれも絶縁体である埋め込みシリコン酸化膜と、活性層シリコンと、シリコン酸化膜とから形成されるものとしている。   Here, the lower electrode 41 formed on the surface side of the diaphragm 30 is electrically connected as a common electrode when a signal is input to the electromechanical transducer 40. For this reason, the diaphragm 30 laminated under the lower electrode 41 is an insulator, or if it is a conductor, it needs to be used after being subjected to insulation treatment. Therefore, in this embodiment, the diaphragm 30 is formed of a buried silicon oxide film, an active layer silicon, and a silicon oxide film, all of which are insulators.

本実施形態では、振動板30は、埋め込みシリコン酸化膜と、活性層シリコンと、シリコン酸化膜とから形成されるものとしたが、これに限られず、例えば、シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、これらの膜を積層した膜としてもよい。これらのシリコン系絶縁膜としては、熱酸化膜やCVD堆積膜を用いる。   In this embodiment, the vibration plate 30 is formed of a buried silicon oxide film, an active layer silicon, and a silicon oxide film. However, the present invention is not limited to this, and for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, an oxide film is formed. A silicon nitride film or a film in which these films are stacked may be used. As these silicon insulating films, a thermal oxide film or a CVD deposited film is used.

あるいは、振動板30としては、熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜等のセラミック膜で、絶縁処理を施したものでもよい。これらの金属酸化膜はスパッタリング法で成膜することができる。   Alternatively, the diaphragm 30 may be an insulating film made of a ceramic film such as an aluminum oxide film or a zirconia film in consideration of a difference in thermal expansion. These metal oxide films can be formed by a sputtering method.

そして、振動板30の表面側に下部電極41が形成される。これは、まず振動板30の表面側に、スパッタ法により、酸化物電極45が形成される。   Then, the lower electrode 41 is formed on the surface side of the diaphragm 30. First, an oxide electrode 45 is formed on the surface side of the diaphragm 30 by a sputtering method.

ここで、酸化物電極45に積層する下部電極41の材料としては、耐熱性かつアルカンチオールとの反応によりSAM(Self−Assembled Monolayer)膜を形成可能な金属である必要がある。銅や銀はSAM膜を形成可能であるが、大気下中で500〜700℃の熱処理により変質してしまうので用いることは好ましくない。また、金は、SAM膜を形成可能であるとともに500〜700℃程度の熱処理でも変質しないものの、積層する配向制御層42の結晶化に不利であるので好ましくない。   Here, the material of the lower electrode 41 laminated on the oxide electrode 45 needs to be a metal that can form a SAM (Self-Assembled Monolayer) film by heat resistance and reaction with alkanethiol. Although copper and silver can form a SAM film, it is not preferable to use it because it is altered by heat treatment at 500 to 700 ° C. in the atmosphere. Further, gold is not preferable because it can form a SAM film and does not change even by heat treatment at about 500 to 700 ° C., but is disadvantageous for crystallization of the orientation control layer 42 to be laminated.

これに対し、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウムの単金属や白金−ロジウムなどの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料は、チオールとの反応性に優れてSAM膜を形成可能であるとともに、500〜700℃程度の熱処理でも変質せず、また積層する配向制御層42の結晶化にも有利である。   In contrast, platinum, rhodium, ruthenium, iridium single metals, and platinum-rhodium and other platinum group elements such as platinum as the main component have excellent reactivity with thiols and can form SAM films. In addition, it is not deteriorated even by heat treatment at about 500 to 700 ° C., and is advantageous for crystallization of the orientation control layer 42 to be laminated.

そこで、本実施の形態では、酸化物電極45の表面側に、スパッタ法により、白金族電極46が積層して形成される。また、シリコン基板20と、振動板30と、下部電極41とを積層したものを配向制御層形成前基板25と呼ぶ。   Therefore, in the present embodiment, the platinum group electrode 46 is laminated on the surface side of the oxide electrode 45 by sputtering. Also, a laminate of the silicon substrate 20, the vibration plate 30 and the lower electrode 41 is referred to as an orientation control layer pre-formation substrate 25.

そして、図3(a)に示すように、白金族電極46の表面側にSAM膜47が形成される。SAM膜47は、配向制御層形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬することにより得られる。   Then, as shown in FIG. 3A, the SAM film 47 is formed on the surface side of the platinum group electrode 46. The SAM film 47 is obtained by immersing the substrate 25 before forming the alignment control layer in an alkanethiol solution.

本実施の形態では、アルカンチオール液として、CH(CH)−SHのアルカンチオールの分子をアルコール、アセトン、トルエン等の一般的な有機溶媒に、例えば、数mol/Lの濃度で溶解させたものを用いている。 In the present embodiment, as an alkanethiol solution, an alkanethiol molecule of CH 3 (CH 2 ) —SH is dissolved in a general organic solvent such as alcohol, acetone or toluene at a concentration of, for example, several mol / L. Is used.

このアルカンチオール液に、配向制御層形成前基板25を浸漬させ、所定時間後に取り出した後、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥する。これにより、白金族電極46の表面側に有機分子が自己配列され、SAM膜47が形成される。SAM膜47の表面側にはアルキル基が配置されている。このため、SAM膜47の表面側は疎水性となる。   The substrate 25 before forming the alignment control layer is immersed in this alkanethiol solution, taken out after a predetermined time, and then the excess molecules are washed by substitution with a solvent and dried. As a result, organic molecules are self-aligned on the surface side of the platinum group electrode 46, and the SAM film 47 is formed. An alkyl group is disposed on the surface side of the SAM film 47. For this reason, the surface side of the SAM film 47 becomes hydrophobic.

次に、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト48を所定のパターンでパターン形成する。さらに、図3(c)に示すように、例えば、酸素プラズマの照射又はUV光の照射といったドライエッチングによりSAM膜47を除去する。そして、加工に用いたフォトレジスト48を除去してSAM膜47のパターニングを終了する(表面改質工程)。すなわち、本実施の形態では、SAM膜47は、フォトリソグラフィー・エッチング法によりパターン形成されている。   Next, as shown in FIG. 3B, a photoresist 48 is formed in a predetermined pattern by photolithography. Further, as shown in FIG. 3C, the SAM film 47 is removed by dry etching such as oxygen plasma irradiation or UV light irradiation. Then, the photoresist 48 used for processing is removed, and the patterning of the SAM film 47 is finished (surface modification step). That is, in the present embodiment, the SAM film 47 is patterned by photolithography / etching.

このように形成されたSAM膜47は、純水に対する接触角が例えば92度であり、疎水性を示す。一方、SAM膜47が除去されて露出した基板の白金族電極46の表面は、純水に対する接触角が例えば5度であり、親水性を示す。   The SAM film 47 thus formed has a contact angle with respect to pure water of, for example, 92 degrees and exhibits hydrophobicity. On the other hand, the surface of the platinum group electrode 46 of the substrate exposed by removing the SAM film 47 has a contact angle with respect to pure water of 5 degrees, for example, and exhibits hydrophilicity.

次に、図3(d)に示すように、後述する液体吐出塗布装置100の液体吐出ヘッド50により、ゾルから成る配向制御層前駆体溶液2の液滴を白金族電極46に吐出させる。液体吐出ヘッド50による液体吐出方式によって、配向制御層前駆体溶液2が塗布される(塗布工程)。   Next, as shown in FIG. 3D, a liquid discharge head 50 of the liquid discharge coating apparatus 100 described later discharges droplets of the alignment control layer precursor solution 2 made of sol onto the platinum group electrode 46. The orientation control layer precursor solution 2 is applied by a liquid discharge method using the liquid discharge head 50 (application step).

配向制御層前駆体溶液2としては、鉛およびチタンを含むチタン酸鉛前駆体溶液を使用している。ここでは、チタン酸鉛前駆体溶液として、少なくとも酢酸鉛と、アルコキシド、塩化物、硝酸塩、酢酸塩などのチタン塩とを含むものとしている。また、チタン酸鉛前駆体の濃度としては、0.01mol/Lとしている。   As the orientation control layer precursor solution 2, a lead titanate precursor solution containing lead and titanium is used. Here, the lead titanate precursor solution includes at least lead acetate and titanium salts such as alkoxide, chloride, nitrate, acetate. The concentration of the lead titanate precursor is 0.01 mol / L.

配向制御層前駆体溶液2は、疎水性であるSAM膜47上には塗布されず、SAM膜47の除去された親水性である白金族電極46のみに塗布される。すなわち、疎水面および親水面の表面エネルギのコントラストを利用して、配向制御層前駆体溶液2が塗り分けられる。   The alignment control layer precursor solution 2 is not applied on the hydrophobic SAM film 47 but only on the hydrophilic platinum group electrode 46 from which the SAM film 47 has been removed. That is, the alignment control layer precursor solution 2 is applied separately by utilizing the surface energy contrast between the hydrophobic surface and the hydrophilic surface.

そして、図3(e)に示すように、塗布された配向制御層前駆体溶液2を、例えば120℃で乾燥させ、例えば500℃で熱分解し、例えば700℃で結晶化させるという熱処理を施す(熱処理工程)。これにより、ゾルゲル法を利用して配向制御層42が得られるとともに、熱処理により全てのSAM膜47が除去される(配向制御層形成工程)。   Then, as shown in FIG. 3E, the applied orientation control layer precursor solution 2 is subjected to a heat treatment such as drying at 120 ° C., pyrolyzing at 500 ° C., and crystallizing at 700 ° C., for example. (Heat treatment process). Thereby, the alignment control layer 42 is obtained using the sol-gel method, and all the SAM films 47 are removed by the heat treatment (alignment control layer forming step).

こうして形成された配向制御層42は、膜厚が30nmであり、結晶面方位は(111)に優先配向したものとなっている。   The orientation control layer 42 thus formed has a thickness of 30 nm and the crystal plane orientation is preferentially oriented to (111).

そして、図4(a)に示すように、配向制御層42の形成されたPZT形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬する。アルカンチオール液の成分や濃度は、配向制御層42の形成時と同様としている。   Then, as shown in FIG. 4A, the PZT pre-formation substrate 25 on which the orientation control layer 42 is formed is immersed in the alkanethiol solution. The components and concentration of the alkanethiol liquid are the same as those at the time of forming the orientation control layer 42.

このPZT形成前基板25を所定時間後に取り出した後、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥する。これにより、白金族電極46の表面側に有機分子が自己配列され、SAM膜47が形成される。   After the PZT pre-formed substrate 25 is taken out after a predetermined time, the surplus molecules are washed by substitution with a solvent and dried. As a result, organic molecules are self-aligned on the surface side of the platinum group electrode 46, and the SAM film 47 is formed.

ここで、SAM膜47は、チタン酸鉛膜のような酸化物薄膜には形成されない。このため、SAM膜47は配向制御層42の形成された部分以外の部分である白金族電極46の露出している表面側のみに形成される。   Here, the SAM film 47 is not formed on an oxide thin film such as a lead titanate film. Therefore, the SAM film 47 is formed only on the exposed surface side of the platinum group electrode 46 which is a portion other than the portion where the orientation control layer 42 is formed.

これにより、図3(b)に示すような所定のパターンのフォトレジスト48を形成することなく、SAM膜47は所望のパターンに形成される。よって、配向制御層42の形成時のSAM膜47の形成に比べて、処理手順を簡素化することができる。   Thereby, the SAM film 47 is formed in a desired pattern without forming the photoresist 48 having a predetermined pattern as shown in FIG. Therefore, the processing procedure can be simplified as compared with the formation of the SAM film 47 when forming the orientation control layer 42.

そして、図4(b)に示すように、後述する液体吐出塗布装置100の液体吐出ヘッド50により、ゾルから成るPZT前駆体溶液49の液滴を配向制御層42に吐出させる。液体吐出ヘッド50による液体吐出方式によって、PZT前駆体溶液49が塗布される。   4B, liquid droplets of a PZT precursor solution 49 made of sol are discharged onto the alignment control layer 42 by a liquid discharge head 50 of the liquid discharge coating apparatus 100 described later. The PZT precursor solution 49 is applied by a liquid discharge method using the liquid discharge head 50.

ここで、疎水性であるSAM膜47上にはPZT前駆体溶液49が塗布されず、SAM膜47の除去された親水性である配向制御層42のみにPZT前駆体溶液49が塗布されるようになる。すなわち、疎水面および親水面の表面エネルギのコントラストを利用して、PZT前駆体溶液49が塗り分けられる。   Here, the PZT precursor solution 49 is not applied onto the hydrophobic SAM film 47, and the PZT precursor solution 49 is applied only to the hydrophilic orientation control layer 42 from which the SAM film 47 has been removed. become. That is, the PZT precursor solution 49 is applied separately using the surface energy contrast between the hydrophobic surface and the hydrophilic surface.

そして、図4(c)に示すように、塗布されたPZT前駆体溶液49を、例えば120℃で乾燥させ、例えば500℃で熱分解し、最後に例えば700℃で結晶化させるという熱処理を施す。これにより、ゾルゲル法を利用して電気機械変換膜43が得られるとともに、熱処理により全てのSAM膜47が除去される(電気機械変換膜形成工程)。   Then, as shown in FIG. 4 (c), the applied PZT precursor solution 49 is dried at, for example, 120 ° C., thermally decomposed at, for example, 500 ° C., and finally crystallized at, for example, 700 ° C. . Thereby, the electromechanical conversion film 43 is obtained by using the sol-gel method, and all the SAM films 47 are removed by the heat treatment (electromechanical conversion film forming step).

さらに、電気機械変換膜43の表面側に、スパッタ法により白金族の上部電極44が積層して形成される(第2の電極形成工程)。これにより、電気機械変換素子40が製造される。   Further, a platinum group upper electrode 44 is laminated and formed on the surface side of the electromechanical conversion film 43 by a sputtering method (second electrode forming step). Thereby, the electromechanical conversion element 40 is manufactured.

次に、上述した配向制御層形成工程および電気機械変換膜形成工程で使用される膜形成用液体吐出ヘッド50を備えた液体吐出塗布装置100について説明する。   Next, the liquid discharge coating apparatus 100 including the film forming liquid discharge head 50 used in the above-described alignment control layer forming step and electromechanical conversion film forming step will be described.

図5に示すように、この液体吐出塗布装置100は、架台110と、X軸駆動手段120と、Y軸駆動手段130と、Z軸駆動手段140と、液体吐出塗布手段150とを備えている。架台110は平板状で、Y軸駆動手段130と、X軸駆動手段120とが設置されている。   As shown in FIG. 5, the liquid discharge application apparatus 100 includes a gantry 110, an X-axis drive unit 120, a Y-axis drive unit 130, a Z-axis drive unit 140, and a liquid discharge application unit 150. . The gantry 110 has a flat plate shape, and is provided with a Y-axis driving unit 130 and an X-axis driving unit 120.

Y軸駆動手段130は、ステージ131と、図示しないY軸駆動部材とを備えている。Y軸駆動部材は、ステージ131をY軸方向に駆動するように設置されている。   The Y-axis drive unit 130 includes a stage 131 and a Y-axis drive member (not shown). The Y-axis drive member is installed so as to drive the stage 131 in the Y-axis direction.

ステージ131には、シリコン基板20、振動板30、下部電極41が積層されて成る基板が搭載される。また、ステージ131は、図示しない吸着手段を備えている。吸着手段は、負圧あるいは静電気等により、配向制御層形成前基板25をステージ131に固定するものとしている。   On the stage 131, a substrate in which the silicon substrate 20, the diaphragm 30, and the lower electrode 41 are stacked is mounted. Further, the stage 131 includes a suction unit (not shown). The suction means fixes the pre-alignment control layer forming substrate 25 to the stage 131 by negative pressure or static electricity.

X軸駆動手段120は、X軸支持部材121と、図示しないX軸駆動部材とを備えている。X軸駆動部材は、X軸支持部材121によって支持されるとともに、Z軸駆動手段140を保持している。これにより、Z軸駆動手段140をX軸方向に駆動するようになっている。   The X-axis drive unit 120 includes an X-axis support member 121 and an X-axis drive member (not shown). The X-axis drive member is supported by the X-axis support member 121 and holds the Z-axis drive unit 140. Thereby, the Z-axis drive means 140 is driven in the X-axis direction.

Z軸駆動手段140は、ヘッドベース141と、図示しないZ軸駆動部材とを備えている。Z軸駆動部材は、ヘッドベース141をZ軸方向に駆動するように設置されている。   The Z-axis drive unit 140 includes a head base 141 and a Z-axis drive member (not shown). The Z-axis drive member is installed so as to drive the head base 141 in the Z-axis direction.

液体吐出塗布手段150は、液体吐出ヘッド50と、供給用パイプ151とを備えている。液体吐出塗布手段150は、ヘッドベース141に搭載されている。液体吐出ヘッド50には、図示しない液体タンクから供給用パイプ151により、配向制御層前駆体溶液2やPZT前駆体溶液49が供給される。また、液体吐出ヘッド50には、図示しない吐出駆動電源が接続されている。   The liquid discharge application unit 150 includes a liquid discharge head 50 and a supply pipe 151. The liquid discharge application unit 150 is mounted on the head base 141. The alignment control layer precursor solution 2 and the PZT precursor solution 49 are supplied to the liquid discharge head 50 through a supply pipe 151 from a liquid tank (not shown). The liquid ejection head 50 is connected to an ejection drive power supply (not shown).

上述したように、本実施の形態のインクジェットヘッド1によれば、配向制御層形成工程において液体吐出ヘッド50を利用したゾルゲル法により配向制御層42が形成されているので、下部電極41に配向制御層42を成膜する際に全面成膜することなく、選択的に必要な部分だけパターニングして成膜することができる。   As described above, according to the inkjet head 1 of the present embodiment, since the alignment control layer 42 is formed by the sol-gel method using the liquid discharge head 50 in the alignment control layer forming step, the alignment control is performed on the lower electrode 41. When the layer 42 is formed, it is possible to selectively form only necessary portions without forming the entire surface.

このため、従来のように配向制御層42の形成方法として真空成膜法やスピン成膜法を採用した場合のように下部電極41の全面に成膜されることがないので、成膜後のフォトリソグラフィー及びエッチングの工程が不要となる。したがって、配向制御層42の形成作業が簡易になるとともに、従来は最終的に除去されていた不必要な部分への配向制御層前駆体溶液2の塗布が無くなるのでコスト削減に貢献することができる。   For this reason, the film is not formed on the entire surface of the lower electrode 41 as in the case of employing the vacuum film formation method or the spin film formation method as the conventional method for forming the orientation control layer 42. Photolithography and etching steps are not necessary. Therefore, the operation of forming the alignment control layer 42 is simplified, and the application of the alignment control layer precursor solution 2 to unnecessary portions that have been finally removed in the past can be eliminated, thereby contributing to cost reduction. .

また、液体吐出ヘッド50を利用したゾルゲル法により配向制御層42を形成しているので、従来のように真空成膜法やスピン成膜法により膜形成した場合に比べて、配向制御層42の薄膜化を図ることができる。これにより、配向制御層42の配向度が高くなるので(図10を参照。)、電気機械変換膜43の変位特性を向上することができる。   In addition, since the alignment control layer 42 is formed by the sol-gel method using the liquid discharge head 50, the alignment control layer 42 is formed as compared with the conventional case where the film is formed by vacuum film formation or spin film formation. Thinning can be achieved. Thereby, the degree of orientation of the orientation control layer 42 is increased (see FIG. 10), so that the displacement characteristics of the electromechanical conversion film 43 can be improved.

このように、電気機械変換膜43の変位特性を安価に向上することができるので、変位量の大きい電気機械変換素子40を安価に得ることができる。よって、安価で高性能のインクジェットヘッド1を得ることができる。   Thus, since the displacement characteristic of the electromechanical conversion film 43 can be improved at low cost, the electromechanical conversion element 40 having a large displacement can be obtained at low cost. Therefore, an inexpensive and high-performance inkjet head 1 can be obtained.

また、本実施の形態に係る電気機械変換膜の製造方法によれば、配向制御層前駆体溶液2の塗布前に表面改質工程を行っているので、白金族電極46の表面側の配向制御層前駆体溶液2を塗布する部分以外の部分に、配向制御層前駆体溶液2が付着し難くなる。これにより、所望パターンの配向制御層42を高精度に形成することができる。   Further, according to the method of manufacturing the electromechanical conversion film according to the present embodiment, the surface modification step is performed before the application of the alignment control layer precursor solution 2, and therefore the alignment control on the surface side of the platinum group electrode 46 is performed. The alignment control layer precursor solution 2 becomes difficult to adhere to a portion other than the portion to which the layer precursor solution 2 is applied. Thereby, the orientation control layer 42 having a desired pattern can be formed with high accuracy.

さらに、上述した本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッド1を備えたインクジェット記録装置5について説明する。   Furthermore, an ink jet recording apparatus 5 provided with the ink jet head 1 according to the above-described embodiment of the present invention will be described.

図6および図7に示すように、インクジェット記録装置5は、記録媒体Pに対して印刷を行う印刷機構部60と、記録媒体Pの給紙を行う給紙機構部70と、記録媒体Pの排紙を行う排紙機構部80と、回復部90とを備えている。   As shown in FIGS. 6 and 7, the inkjet recording apparatus 5 includes a printing mechanism unit 60 that performs printing on the recording medium P, a paper feeding mechanism unit 70 that feeds the recording medium P, and a recording medium P. A paper discharge mechanism 80 that discharges paper and a recovery unit 90 are provided.

印刷機構部60は、インクジェットヘッド1と、インクカートリッジ61と、キャリッジ62と、主ガイドロッド63と、従ガイドロッド64と、主走査モータ65と、駆動プーリ66と、従動プーリ67と、タイミングベルト68とを備えている。   The printing mechanism 60 includes an inkjet head 1, an ink cartridge 61, a carriage 62, a main guide rod 63, a sub guide rod 64, a main scanning motor 65, a driving pulley 66, a driven pulley 67, and a timing belt. 68.

インクジェットヘッド1は、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出するよう4個別個に設けられている。各インクジェットヘッド1は、それぞれ複数のノズル孔11を副走査方向に直線状に配列し、キャリッジ62に対してインク滴の吐出方向を下方に向けて装着されている。   Four inkjet heads 1 are provided so as to eject ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). Each inkjet head 1 has a plurality of nozzle holes 11 arranged linearly in the sub-scanning direction, and is mounted on the carriage 62 with the ink droplet ejection direction facing downward.

本実施の形態では、インクジェットヘッド1は各色ごと別個に設けられているが、これには限られず、各色のインク滴を吐出する別個のノズル孔11を有する1個のインクジェットヘッド1を設けるようにしてもよい。   In this embodiment, the inkjet head 1 is provided for each color separately. However, the present invention is not limited to this, and one inkjet head 1 having separate nozzle holes 11 for ejecting ink droplets of each color is provided. May be.

インクカートリッジ61は、上方に設けられた大気と連通する図示しない大気口と、下方に設けられたインクジェットヘッド1にインクを供給する図示しない供給口と、内部に設けられたインクが充填された図示しない多孔質体とを有している。多孔質体では、毛管力により、インクジェットヘッド1へ供給されるインクがわずかな負圧に維持されている。これにより、インクカートリッジ61は、インクジェットヘッド1にインクを供給するようになっている。   The ink cartridge 61 includes an air port (not shown) that communicates with the air provided above, a supply port (not shown) that supplies ink to the inkjet head 1 provided below, and an ink cartridge that is filled with ink provided inside. A porous body that does not. In the porous body, the ink supplied to the inkjet head 1 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force. Thereby, the ink cartridge 61 supplies ink to the inkjet head 1.

主ガイドロッド63および従ガイドロッド64は、図示しない左右の側板に横架され、キャリッジ62を主走査方向に摺動自在に保持している。   The main guide rod 63 and the sub guide rod 64 are horizontally mounted on left and right side plates (not shown), and hold the carriage 62 slidably in the main scanning direction.

キャリッジ62には、インクカートリッジ61が交換可能に装着されている。キャリッジ62は、後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド63に摺動自在に嵌装されるとともに、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド64に摺動自在に載置されている。   An ink cartridge 61 is replaceably mounted on the carriage 62. The carriage 62 is slidably fitted to the main guide rod 63 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction) and is slidably mounted on the sub guide rod 64 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). Has been.

駆動プーリ66および従動プーリ67は、主走査方向の両端部に配置されている。駆動プーリ66は、主走査モータ65に取り付けられて回転駆動される。   The driving pulley 66 and the driven pulley 67 are disposed at both ends in the main scanning direction. The drive pulley 66 is attached to the main scanning motor 65 and is driven to rotate.

タイミングベルト68は、駆動プーリ66および従動プーリ67に張装されている。タイミングベルト68は、キャリッジ62に固定されている。主走査モータ65の正逆回転により、動力が駆動プーリ66およびタイミングベルト68を経由して、キャリッジ62が主走査方向に往復駆動される。   The timing belt 68 is stretched around the drive pulley 66 and the driven pulley 67. The timing belt 68 is fixed to the carriage 62. By forward / reverse rotation of the main scanning motor 65, the power is reciprocated in the main scanning direction via the drive pulley 66 and the timing belt 68.

給紙機構部70は、給紙カセット71と、手差しトレイ72と、給紙ローラ73と、フリクションパッド74と、ガイド部材75と、搬送ローラ76と、搬送コロ77と、先端コロ78と、副走査モータ79と、印写受け部材81とを備えている。   The paper feed mechanism unit 70 includes a paper feed cassette 71, a manual feed tray 72, a paper feed roller 73, a friction pad 74, a guide member 75, a transport roller 76, a transport roller 77, a front end roller 78, a subsidiary roller. A scanning motor 79 and a printing receiving member 81 are provided.

給紙カセット71(或いは給紙トレイでもよい。)は、インクジェット記録装置5の下部に設けられるとともに、前方側から多数枚の記録媒体Pを取り込んで積載可能とされている。給紙カセット71は、インクジェット記録装置5に対して抜き差し装着可能となっている。   The paper feed cassette 71 (or a paper feed tray) may be provided at the lower portion of the ink jet recording apparatus 5 and can be loaded with a large number of recording media P taken from the front side. The paper feed cassette 71 can be inserted into and removed from the inkjet recording apparatus 5.

手差しトレイ72は、開倒可能とされている。手差しトレイ72を開倒することにより、記録媒体Pを手差しで給紙することができる。給紙ローラ73およびフリクションパッド74は、給紙カセット71にセットした記録媒体Pを分離給装する。ガイド部材75は記録媒体Pを案内する。   The manual feed tray 72 can be turned over. By opening the manual feed tray 72, the recording medium P can be manually fed. The paper feed roller 73 and the friction pad 74 separate and supply the recording medium P set in the paper feed cassette 71. The guide member 75 guides the recording medium P.

搬送ローラ76は、給紙された記録媒体Pを反転させて搬送する。搬送コロ77は、搬送ローラ76の周面に押し付けられて、搬送ローラ76との間で記録媒体Pを挟み込む。先端コロ78は、搬送ローラ76からの記録媒体Pの送り出し角度を規定する。   The conveyance roller 76 reverses and conveys the fed recording medium P. The conveyance roller 77 is pressed against the peripheral surface of the conveyance roller 76 and sandwiches the recording medium P with the conveyance roller 76. The leading end roller 78 defines the feeding angle of the recording medium P from the conveying roller 76.

副走査モータ79は、ギヤ列を介して搬送ローラ76に連結されて、搬送ローラ76を回転駆動させる。印写受け部材81は、キャリッジ62の主走査方向の移動範囲に対応して設けられている。印写受け部材81は、搬送ローラ76から送り出された記録媒体Pをインクジェットヘッド1の下方側で案内する。   The sub-scanning motor 79 is connected to the conveyance roller 76 through a gear train, and rotates the conveyance roller 76. The printing receiving member 81 is provided corresponding to the movement range of the carriage 62 in the main scanning direction. The printing receiving member 81 guides the recording medium P sent out from the conveying roller 76 on the lower side of the inkjet head 1.

排紙機構部80は、搬送コロ82と、拍車83と、排紙ローラ84と、拍車85と、上ガイド部材86と、下ガイド部材87と、排紙トレイ88とを備えている。   The paper discharge mechanism 80 includes a conveyance roller 82, a spur 83, a paper discharge roller 84, a spur 85, an upper guide member 86, a lower guide member 87, and a paper discharge tray 88.

搬送コロ82および拍車83は、印写受け部材81の用紙搬送方向下流側に設けられるとともに、記録媒体Pを排紙方向へ送り出すために回転駆動する。排紙ローラ84および拍車85は、記録媒体Pを排紙トレイ88に送り出す。上ガイド部材86および下ガイド部材87は、印写受け部材81から排紙トレイ88までの排紙経路を形成する。排紙トレイ88は、インクジェット記録装置5の後面側に装着されている。   The conveyance roller 82 and the spur 83 are provided on the downstream side of the printing receiving member 81 in the sheet conveyance direction, and are rotationally driven to send the recording medium P in the sheet discharge direction. The paper discharge roller 84 and the spur 85 send the recording medium P to the paper discharge tray 88. The upper guide member 86 and the lower guide member 87 form a paper discharge path from the printing receiving member 81 to the paper discharge tray 88. The paper discharge tray 88 is mounted on the rear side of the inkjet recording apparatus 5.

回復部90は、インクジェットヘッド1の吐出不良を回復するものであり、図10中、キャリッジ62の移動方向の右端側の記録領域を外れた位置に設けられている。回復部90は、図示しないキャップ手段と、図示しない吸引手段と、図示しないクリーニング手段とを有している。   The recovery unit 90 recovers the ejection failure of the inkjet head 1 and is provided at a position outside the recording area on the right end side in the moving direction of the carriage 62 in FIG. The recovery unit 90 includes a cap unit (not shown), a suction unit (not shown), and a cleaning unit (not shown).

上述したインクジェット記録装置5の動作を以下に説明する。   The operation of the above-described ink jet recording apparatus 5 will be described below.

給紙カセット71あるいは手差しトレイ72に記録媒体Pが装填される。記録媒体Pは、インクジェット記録装置5の内部に取り込まれ、給紙機構部70によりインクジェットヘッド1の下方まで搬送される。   The recording medium P is loaded into the paper feed cassette 71 or the manual feed tray 72. The recording medium P is taken into the ink jet recording apparatus 5 and conveyed to the lower part of the ink jet head 1 by the paper feed mechanism unit 70.

印刷時には、印刷機構部60により、キャリッジ62を移動させながら画像信号に応じてインクジェットヘッド1を駆動する。これにより、停止している記録媒体Pにインクを吐出して1行分を記録し、記録媒体Pを所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号、または記録媒体Pの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、印刷機構部60の記録動作を終了させる。そして、排紙機構部80により、記録媒体Pを後面側に装着された排紙トレイ88に排出する。   At the time of printing, the inkjet mechanism 1 is driven by the printing mechanism unit 60 according to the image signal while moving the carriage 62. Thus, ink is ejected onto the stopped recording medium P to record one line, and after the recording medium P is conveyed by a predetermined amount, the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the recording medium P reaches the recording area, the recording operation of the printing mechanism unit 60 is ended. Then, the paper discharge mechanism 80 discharges the recording medium P to a paper discharge tray 88 mounted on the rear side.

一方、印刷待機中には、キャリッジ62は回復部90に移動されて、キャップ手段によりインクジェットヘッド1がキャッピングされる。これにより、ノズル孔11を湿潤状態に保つことができ、インク乾燥による吐出不良を防止できる。また、記録途中等には、記録と関係しないインクをも吐出することにより、全てのノズル孔11のインクの粘度を一定にして、安定した吐出性能を維持する。   On the other hand, during printing standby, the carriage 62 is moved to the recovery unit 90, and the inkjet head 1 is capped by the cap unit. Thereby, the nozzle hole 11 can be kept in a wet state, and ejection failure due to ink drying can be prevented. Further, in the middle of recording or the like, ink that is not related to recording is also ejected, so that the viscosity of the ink in all the nozzle holes 11 is made constant and stable ejection performance is maintained.

また、インクの吐出不良が発生した場合等には、キャップ手段によりインクジェットヘッド1のノズル孔11を密封する。そして、チューブを通して吸引手段でノズル孔11からインクとともに気泡等を吸い出す。これにより、ノズル板10のノズル孔11近傍に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去されるので、インクの吐出不良が回復される。   Further, when an ink ejection failure occurs, the nozzle hole 11 of the inkjet head 1 is sealed with a cap unit. Then, bubbles and the like are sucked out together with the ink from the nozzle hole 11 through the tube by suction means. As a result, the ink, dust, etc. adhering to the vicinity of the nozzle hole 11 of the nozzle plate 10 are removed by the cleaning means, and the ink ejection failure is recovered.

クリーニング手段により吸引されたインクは、インクジェット記録装置5の下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   The ink sucked by the cleaning means is discharged into a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the ink jet recording apparatus 5 and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

上述したように、本実施の形態のインクジェット記録装置5によれば、上述したインクジェットヘッド1を搭載しているので、安価で高性能なインクジェット記録装置5を得ることができる。   As described above, according to the inkjet recording apparatus 5 of the present embodiment, since the inkjet head 1 described above is mounted, an inexpensive and high-performance inkjet recording apparatus 5 can be obtained.

ここで、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、図3(a)〜図3(e)の処理を1回ずつ行って所定膜厚の配向制御層42を得ているが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。例えば、図3(c)〜図3(e)の工程を2回以上繰り返して配向制御層42を多層に重ねて形成し、所定膜厚の配向制御層42を得るようにしてもよい。   Here, in the method for manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment, the processing of FIGS. 3A to 3E is performed once to obtain the orientation control layer 42 having a predetermined thickness. However, the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention is not limited to this. For example, the orientation control layer 42 may be formed in multiple layers by repeating the steps of FIGS. 3C to 3E two or more times to obtain the orientation control layer 42 having a predetermined thickness.

この場合、図3(e)に示す配向制御層42の形成されたPZT形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬させ、所定時間後に取り出して、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥する。これにより、白金族電極46の表面側に有機分子が自己配列され、SAM膜47が形成される。   In this case, the PZT pre-formation substrate 25 on which the orientation control layer 42 shown in FIG. 3E is formed is immersed in an alkanethiol solution, taken out after a predetermined time, and the excess molecules are washed by substitution with a solvent and dried. As a result, organic molecules are self-aligned on the surface side of the platinum group electrode 46, and the SAM film 47 is formed.

ここで、SAM膜47は、配向制御層42のような酸化物薄膜には形成されない。このため、SAM膜47は配向制御層42の形成された部分以外の部分である白金族電極46の露出している表面側のみに形成される。   Here, the SAM film 47 is not formed on an oxide thin film like the orientation control layer 42. Therefore, the SAM film 47 is formed only on the exposed surface side of the platinum group electrode 46 which is a portion other than the portion where the orientation control layer 42 is formed.

これにより、図3(b)に示すような所定のパターンのフォトレジスト48を形成することなく、SAM膜47は1回目の配向制御層42の形成時と同じパターンに形成される。よって、1回目の配向制御層42の形成時のSAM膜47の形成に比べて、処理手順を簡素化することができる。   As a result, the SAM film 47 is formed in the same pattern as the first alignment control layer 42 without forming the photoresist 48 having a predetermined pattern as shown in FIG. Therefore, the processing procedure can be simplified as compared with the formation of the SAM film 47 when forming the alignment control layer 42 for the first time.

このように、配向制御層42を多層に重ねて膜厚を厚くすることにより、一度の成膜処理で厚く成膜する場合に比べて、配向制御層42のクラックの発生を抑制しながらも十分に厚い配向制御層42を得ることができるようになる。   In this way, the alignment control layer 42 is stacked in multiple layers to increase the film thickness, which is sufficient while suppressing the occurrence of cracks in the alignment control layer 42 as compared with the case where the film is formed thick by a single film formation process. A thick alignment control layer 42 can be obtained.

また、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、配向制御層42の膜厚を30nmとしたが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。配向制御層42の膜厚としては、2nm〜50nmであることが好ましい(図10を参照。)。   In the electromechanical transducer manufacturing method according to the present embodiment, the orientation control layer 42 has a thickness of 30 nm. However, the electromechanical transducer manufacturing method of the present invention is not limited to this. The film thickness of the orientation control layer 42 is preferably 2 nm to 50 nm (see FIG. 10).

また、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、配向制御層前駆体溶液2のチタン酸鉛前駆体の濃度を0.01mol/Lとしたが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。配向制御層前駆体溶液2のチタン酸鉛前駆体の濃度としては、0.01mol/L〜0.15mol/Lであることが好ましい。   Further, in the method for manufacturing the electromechanical conversion element according to the present embodiment, the concentration of the lead titanate precursor in the orientation control layer precursor solution 2 is set to 0.01 mol / L. However, the manufacturing method is not limited to this. The concentration of the lead titanate precursor in the orientation control layer precursor solution 2 is preferably 0.01 mol / L to 0.15 mol / L.

配向制御層前駆体溶液2のチタン酸鉛前駆体の濃度が高ければ、形成される膜厚は厚くなるので、濃度は必要な膜厚に応じて適宜設定するようにする。配向制御層前駆体溶液2のチタン酸鉛前駆体の濃度を0.01mol/L〜0.15mol/Lとすることにより、配向制御層42の膜厚を2nm〜50nmとすることができる。   If the concentration of the lead titanate precursor in the orientation control layer precursor solution 2 is high, the film thickness to be formed increases. Therefore, the concentration is appropriately set according to the required film thickness. By setting the concentration of the lead titanate precursor in the orientation control layer precursor solution 2 to 0.01 mol / L to 0.15 mol / L, the thickness of the orientation control layer 42 can be set to 2 nm to 50 nm.

また、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、図4(a)〜図4(c)の処理を1回ずつ行って所定膜厚の電気機械変換膜43を得ているが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。例えば、図4(a)〜図4(c)の工程を2回以上繰り返して電気機械変換膜43を多層に重ねて形成し、所定膜厚の電気機械変換膜43を得るようにしてもよい。   In the method for manufacturing the electromechanical transducer according to the present embodiment, the electromechanical transducer film 43 having a predetermined thickness is obtained by performing the processes of FIGS. 4A to 4C once. However, the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention is not limited to this. For example, the processes of FIGS. 4A to 4C may be repeated two or more times to form the electromechanical conversion film 43 in a multilayered manner to obtain the electromechanical conversion film 43 having a predetermined thickness. .

この場合、図4(c)に示す電気機械変換膜43の形成されたPZT形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬させ、所定時間後に取り出して、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥する。これにより、白金族電極46の表面側に有機分子が自己配列され、SAM膜47が形成される。   In this case, the PZT pre-formation substrate 25 on which the electromechanical conversion film 43 shown in FIG. 4C is formed is immersed in the alkanethiol solution, taken out after a predetermined time, and the excess molecules are washed by substitution with a solvent and dried. As a result, organic molecules are self-aligned on the surface side of the platinum group electrode 46, and the SAM film 47 is formed.

ここで、SAM膜47は、電気機械変換膜43のような酸化物薄膜には形成されない。このため、SAM膜47は電気機械変換膜43の形成された部分以外の部分である白金族電極46の露出している表面側のみに形成される。これにより、図3(b)に示すような所定のパターンのフォトレジスト48を形成することなく、SAM膜47は直前に形成されたSAM膜47と同じパターンに形成される。   Here, the SAM film 47 is not formed on an oxide thin film like the electromechanical conversion film 43. Therefore, the SAM film 47 is formed only on the exposed surface side of the platinum group electrode 46 which is a part other than the part where the electromechanical conversion film 43 is formed. Thereby, the SAM film 47 is formed in the same pattern as the SAM film 47 formed immediately before, without forming the photoresist 48 having a predetermined pattern as shown in FIG.

このように、電気機械変換膜43を多層に重ねて膜厚を厚くすることにより、一度の成膜処理で厚く成膜する場合に比べて、電気機械変換膜43のクラックの発生を抑制しながらも十分に厚い電気機械変換膜43を得ることができるようになる。電気機械変換膜43の厚さとしては、例えば、5μm程度にまで形成することができる(実施例9を参照。)。   In this way, by increasing the thickness of the electromechanical conversion film 43 in multiple layers, the generation of cracks in the electromechanical conversion film 43 is suppressed as compared with the case where the film is thickly formed by a single film formation process. Also, a sufficiently thick electromechanical conversion film 43 can be obtained. The thickness of the electromechanical conversion film 43 can be formed to about 5 μm, for example (see Example 9).

また、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、SAM膜47のパターン形成方法として、図3(a)〜図3(c)に示すように、フォトリソグラフィー・エッチング法を採用しているが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。例えば、フォトリソレジストカバー法や露光除去法を採用することができる。   Further, in the method of manufacturing the electromechanical transducer according to this embodiment, as a pattern forming method of the SAM film 47, a photolithography etching method is employed as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c). However, the method for manufacturing an electromechanical transducer according to the present invention is not limited to this. For example, a photolithography resist cover method or an exposure removal method can be employed.

SAM膜47のパターン形成方法としてフォトリソレジストカバー法を採用した場合は、白金族電極46の表面側のパターン形成部にフォトレジストパターンを形成する。そして、配向制御層形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬してSAM膜47を形成する。この時、フォトレジスト上にはSAM膜47は形成されない。そして、フォトレジストを除去することにより、SAM膜47をパターン形成することができる(実施例2を参照。)。   When the photolithography resist cover method is adopted as the pattern forming method of the SAM film 47, a photoresist pattern is formed on the pattern forming portion on the surface side of the platinum group electrode 46. Then, the SAM film 47 is formed by immersing the substrate 25 before forming the alignment control layer in an alkanethiol solution. At this time, the SAM film 47 is not formed on the photoresist. Then, the SAM film 47 can be patterned by removing the photoresist (see Example 2).

SAM膜47のパターン形成方法として露光除去法を採用した場合は、図3(a)と同様に、配向制御層形成前基板25をアルカンチオール液に浸漬して、全面にSAM膜47を形成する。そして、SAM膜47のパターン形成部分以外にマスクを設け、紫外線を照射する。これにより、マスクを設けた部分ではSAM膜47が残存するとともに、マスクされなかった露光部分ではSAM膜47が消失する。これにより、SAM膜47をパターン形成することができる(実施例3を参照。)。   When the exposure removal method is adopted as the pattern forming method of the SAM film 47, the substrate 25 before forming the alignment control layer is immersed in the alkanethiol solution to form the SAM film 47 on the entire surface, as in FIG. . Then, a mask is provided in a portion other than the pattern forming portion of the SAM film 47, and ultraviolet rays are irradiated. As a result, the SAM film 47 remains in the portion where the mask is provided, and the SAM film 47 disappears in the exposed portion where the mask is not masked. As a result, the SAM film 47 can be patterned (see Example 3).

また、本実施の形態に係る電気機械変換素子の製造方法においては、下部電極41上の配向制御層前駆体溶液2が塗布される所定部分以外の表面をSAM膜47によって疎水面にする表面改質を行っているが、本発明の電気機械変換素子の製造方法においては、これに限定されない。例えば、下部電極41の表面が疎水面の場合は、その下部電極41上の配向制御層前駆体溶液2が塗布される所定部分の表面を親水面にする表面改質を行うようにしてもよい。   Further, in the method for manufacturing the electromechanical transducer according to the present embodiment, the surface modification other than the predetermined portion on which the alignment control layer precursor solution 2 is applied on the lower electrode 41 is made a hydrophobic surface by the SAM film 47. However, the method for manufacturing the electromechanical transducer according to the present invention is not limited to this. For example, when the surface of the lower electrode 41 is a hydrophobic surface, surface modification may be performed so that the surface of a predetermined portion to which the orientation control layer precursor solution 2 on the lower electrode 41 is applied is a hydrophilic surface. .

また、本実施の形態に係る電気機械変換膜の製造方法においては、配向制御層前駆体溶液2の塗布前に表面改質工程を行っているが、本発明の電気機械変換膜の製造方法においては、これに限定されず、表面改質工程は無くてもよい。   Further, in the method for manufacturing the electromechanical conversion film according to the present embodiment, the surface modification step is performed before the application of the alignment control layer precursor solution 2, but in the method for manufacturing the electromechanical conversion film of the present invention, However, the surface modification step may be omitted.

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time is illustrative in all respects and is not limited to this embodiment. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.

(実施例1)
シリコンウェハから成るシリコン基板20に熱酸化膜(膜厚1μm)を形成し、その上に密着層としてチタン膜(膜厚50nm)をスパッタ成膜した。さらに、下部電極41として白金族電極46(膜厚200nm)をスパッタ成膜して、配向制御層形成前基板25を得た。図13に示すように、白金族電極46の表面側での純水の接触角は5°で、完全濡れ状態であった。
Example 1
A thermal oxide film (film thickness 1 μm) was formed on a silicon substrate 20 made of a silicon wafer, and a titanium film (film thickness 50 nm) was formed thereon as an adhesion layer by sputtering. Further, a platinum group electrode 46 (film thickness: 200 nm) was formed by sputtering as the lower electrode 41 to obtain the substrate 25 before forming the orientation control layer. As shown in FIG. 13, the contact angle of pure water on the surface side of the platinum group electrode 46 was 5 °, and it was in a completely wet state.

次いで、アルカンチオールとしてCH(CH)−SHを用い、溶媒をイソプロピルアルコールで濃度0.01mol/Lの溶液を生成した。この溶液に配向制御層形成前基板25を浸漬させ、SAM膜形成処理を行った。配向制御層形成前基板25を溶液から取り出した後、配向制御層形成前基板25をイソプロピルアルコールで洗浄して乾燥した。 Then, using a CH 3 (CH 2) -SH as alkanethiol to yield a solution having a concentration of 0.01 mol / L of solvent with isopropyl alcohol. The substrate 25 before forming the orientation control layer was immersed in this solution, and SAM film formation processing was performed. After the substrate 25 before forming the orientation control layer was taken out of the solution, the substrate 25 before forming the orientation control layer was washed with isopropyl alcohol and dried.

図12に示すように、白金族電極46の表面側での純水の接触角は92.2°で、疎水状態であった。これにより、SAM膜47が形成されたことが明らかになった(図3(a))。   As shown in FIG. 12, the contact angle of pure water on the surface side of the platinum group electrode 46 was 92.2 °, which was a hydrophobic state. This revealed that the SAM film 47 was formed (FIG. 3A).

このSAM膜47に対し、スピンコート法でフォトレジスト(東京応化社製(TSMR8800))48を成膜し、公知のフォトリソグラフィーにより配向制御層42を形成しない部分にレジストパターンを形成した(図3(b))。さらに、酸素プラズマ処理を行い露出部分のSAM膜47を除去した。処理後のフォトレジスト48はアセトンにて溶解除去した(図3(c))。そして、純水の接触角評価を行った。   Photoresist (Tokyo Ohka Co., Ltd. (TSMR8800)) 48 is formed on the SAM film 47 by spin coating, and a resist pattern is formed in a portion where the orientation control layer 42 is not formed by known photolithography (FIG. 3). (B)). Further, an exposed portion of the SAM film 47 was removed by performing oxygen plasma treatment. The treated photoresist 48 was dissolved and removed with acetone (FIG. 3C). And the contact angle evaluation of the pure water was performed.

その結果、SAM膜47の除去部分では接触角は約5°(完全濡れ)であるとともに、フォトレジスト48でカバーされていた部分の接触角は92.4°であった。したがって、SAM膜47のパターン化がなされたことが確認された。   As a result, the contact angle of the removed portion of the SAM film 47 was about 5 ° (complete wetting), and the contact angle of the portion covered with the photoresist 48 was 92.4 °. Therefore, it was confirmed that the SAM film 47 was patterned.

(実施例2)
実施例1と同様に、シリコン基板20と、熱酸化膜と、チタン膜と、白金族電極46とを積層して、配向制御層形成前基板25を得た。
(Example 2)
Similarly to Example 1, the silicon substrate 20, the thermal oxide film, the titanium film, and the platinum group electrode 46 were laminated to obtain the substrate 25 before forming the orientation control layer.

白金族電極46の表面側に、スピンコート法でフォトレジスト(東京応化社製(TSMR8800))を成膜し、公知のフォトリソグラフィーにより配向制御層42を形成する部分にレジストパターンを形成した。   A photoresist (Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. (TSMR8800)) was formed on the surface of the platinum group electrode 46 by spin coating, and a resist pattern was formed on the portion where the orientation control layer 42 was to be formed by known photolithography.

次いで、実施例1と同様のアルカンチオール溶液に配向制御層形成前基板25を浸漬させ、SAM膜形成処理を行った。配向制御層形成前基板25を溶液から取り出した後、配向制御層形成前基板25をイソプロピルアルコールで洗浄して乾燥した。そして、アセトンにてフォトレジストを溶解除去した。さらに、純水の接触角評価を行った。   Subsequently, the substrate 25 before alignment control layer formation was immersed in the same alkanethiol solution as in Example 1, and a SAM film formation process was performed. After the substrate 25 before forming the orientation control layer was taken out of the solution, the substrate 25 before forming the orientation control layer was washed with isopropyl alcohol and dried. Then, the photoresist was dissolved and removed with acetone. Furthermore, contact angle evaluation of pure water was performed.

その結果、フォトレジストでカバーされていた部分の接触角は約5°(完全濡れ)であるとともに、他の部分では接触角は92.0°であった。したがって、SAM膜のパターン化がなされたことが確認された。   As a result, the contact angle of the portion covered with the photoresist was about 5 ° (complete wetting), and the contact angle was 92.0 ° in the other portions. Therefore, it was confirmed that the SAM film was patterned.

(実施例3)
実施例1と同様に、シリコン基板20と、熱酸化膜と、チタン膜と、白金族電極46とを積層して、配向制御層形成前基板25を得た。
(Example 3)
Similarly to Example 1, the silicon substrate 20, the thermal oxide film, the titanium film, and the platinum group electrode 46 were laminated to obtain the substrate 25 before forming the orientation control layer.

次いで、実施例1と同様のアルカンチオール溶液に配向制御層形成前基板25を浸漬させ、SAM膜形成処理を行った。配向制御層形成前基板25を溶液から取り出した後、配向制御層形成前基板25をイソプロピルアルコールで洗浄して乾燥した。   Subsequently, the substrate 25 before alignment control layer formation was immersed in the same alkanethiol solution as in Example 1, and a SAM film formation process was performed. After the substrate 25 before forming the orientation control layer was taken out of the solution, the substrate 25 before forming the orientation control layer was washed with isopropyl alcohol and dried.

白金族電極46に形成されたSAM膜47に対し、配向制御層42を形成しない部分をマスクして紫外線照射を行った。紫外線はエキシマランプによる波長176nmの真空紫外光として、10分間照射した。さらに、純水の接触角評価を行った。   The SAM film 47 formed on the platinum group electrode 46 was irradiated with ultraviolet rays while masking a portion where the orientation control layer 42 was not formed. The ultraviolet rays were irradiated for 10 minutes as vacuum ultraviolet rays having a wavelength of 176 nm by an excimer lamp. Furthermore, contact angle evaluation of pure water was performed.

その結果、紫外線の照射部分では接触角は約5°(完全濡れ)であるとともに、マスクでカバーされていた部分の接触角は92.2°であった。したがって、SAM膜のパターン化がなされたことが確認された。   As a result, the contact angle was about 5 ° (complete wetting) in the ultraviolet irradiated portion, and the contact angle of the portion covered with the mask was 92.2 °. Therefore, it was confirmed that the SAM film was patterned.

(実施例4)
出発材料にイソプロポキシドチタンを用いて、配向制御層前駆体溶液2の合成を行った。イソプロポキシドチタンをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応を行って溶液を得た。一方、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を用いて、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得た。
Example 4
The alignment control layer precursor solution 2 was synthesized using isopropoxide titanium as a starting material. Isopropoxide titanium was dissolved in methoxyethanol, and an alcohol exchange reaction was performed to obtain a solution. On the other hand, lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds were used as starting materials and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution.

さらに、これら2つの溶液を混合することで、配向制御層前駆体溶液2としてチタン酸鉛前駆体溶液を合成した。このイソプロポキシドチタン濃度は、0.01mol/Lにした。   Furthermore, a lead titanate precursor solution was synthesized as the orientation control layer precursor solution 2 by mixing these two solutions. The isopropoxide titanium concentration was 0.01 mol / L.

図5に示す液体吐出塗布装置100を用いて、実施例1により得られたSAM膜47のパターン形成された白金族電極46の表面側に、液体吐出ヘッド50によって配向制御層前駆体溶液2を1回塗布した(図3(d))。これにより、配向制御層前駆体溶液2はSAM膜47の形成されていない親水部分のみに塗布された。   Using the liquid discharge coating apparatus 100 shown in FIG. 5, the alignment control layer precursor solution 2 is applied to the surface side of the patterned platinum group electrode 46 of the SAM film 47 obtained in Example 1 by the liquid discharge head 50. It was applied once (FIG. 3 (d)). Thereby, the orientation control layer precursor solution 2 was applied only to the hydrophilic portion where the SAM film 47 was not formed.

さらに、塗布された配向制御層前駆体溶液2を、120℃で乾燥させ、500℃で熱分解した(図3(e))。   Further, the applied orientation control layer precursor solution 2 was dried at 120 ° C. and thermally decomposed at 500 ° C. (FIG. 3E).

その結果、短手方向中央部膜厚2nm、短手方向端部膜厚1.2nmの配向制御層42が得られた。したがって、スピンコート法では得られなかった薄い配向制御層42を得られたことが確認された。   As a result, an orientation control layer 42 having a thickness in the short direction center part of 2 nm and a thickness in the short direction end part of 1.2 nm was obtained. Therefore, it was confirmed that a thin alignment control layer 42 that could not be obtained by the spin coating method was obtained.

(実施例5)
実施例4で得られた配向制御層42の成膜された試料の表面側をイソプロピルアルコールで洗浄した後、実施例1と同様のアルカンチオール溶液に試料を浸漬させ、SAM膜形成処理を行った。試料を溶液から取り出した後、イソプロピルアルコールで洗浄して乾燥した。
(Example 5)
After the surface side of the sample on which the orientation control layer 42 obtained in Example 4 was formed was washed with isopropyl alcohol, the sample was immersed in the same alkanethiol solution as in Example 1 to perform SAM film formation processing. . After removing the sample from the solution, it was washed with isopropyl alcohol and dried.

配向制御層42の接触角は約5°(完全濡れ)であるとともに、配向制御層42が露出している部位の接触角は92.0°であった。これにより、自己整合型SAM膜47の形成が確認された(図4(a))。   The contact angle of the orientation control layer 42 was about 5 ° (complete wetting), and the contact angle of the portion where the orientation control layer 42 was exposed was 92.0 °. Thereby, formation of the self-aligned SAM film 47 was confirmed (FIG. 4A).

(実施例6)
図5に示す液体吐出塗布装置100を用いて、実施例5により得られたSAM膜47のパターン形成された試料の表面側に、液体吐出ヘッド50によってPZT前駆体溶液49を塗布した(図4(b))。これにより、PZT前駆体溶液49はSAM膜47の形成されていない親水部分、すなわち配向制御層42のみに塗布された。
(Example 6)
A PZT precursor solution 49 was applied by the liquid discharge head 50 to the surface side of the patterned sample of the SAM film 47 obtained in Example 5 using the liquid discharge application apparatus 100 shown in FIG. 5 (FIG. 4). (B)). As a result, the PZT precursor solution 49 was applied only to the hydrophilic portion where the SAM film 47 was not formed, that is, the orientation control layer 42.

PZT前駆体溶液49は、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、ノルマルブトキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐために、化学量論組成に対し鉛量を10mol%過剰にした。   The PZT precursor solution 49 used lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and normal butoxide zirconium as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. In order to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during the heat treatment, the lead amount was excessive by 10 mol% with respect to the stoichiometric composition.

イソプロポキシドチタン、ノルマルブトキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進めた。そして、上述した酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と均一に混合することで、PZT前駆体溶液49を合成した。   Isopropoxide titanium and normal butoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, and alcohol exchange reaction and esterification reaction were advanced. And the PZT precursor solution 49 was synthesize | combined by mixing uniformly with the methoxyethanol solution which melt | dissolved the lead acetate mentioned above.

一度の成膜で得られる膜厚は、結晶化の際のクラック発生を防ぐために100nm以下が好ましい。このため、PZT前駆体溶液49の前駆体濃度は、電気機械変換膜43の成膜面積とPZT前駆体溶液49の塗布量との関係から適正化するように調整するのが好ましい。本実施例では、PZT前駆体溶液49のPZT濃度は0.1mol/Lにした。ただし、0.1mol/Lに限定されないのは勿論である。   The film thickness obtained by a single film formation is preferably 100 nm or less in order to prevent generation of cracks during crystallization. For this reason, it is preferable to adjust the precursor concentration of the PZT precursor solution 49 so as to be optimized from the relationship between the deposition area of the electromechanical conversion film 43 and the coating amount of the PZT precursor solution 49. In this example, the PZT concentration of the PZT precursor solution 49 was set to 0.1 mol / L. However, it is needless to say that it is not limited to 0.1 mol / L.

ここで、PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、Pb(Zr0.53,Ti0.47)O、一般にPZT(53/47)と示される。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物の出発材料は、この化学式に従って秤量される。 Here, PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. The compositions shown generally excellent piezoelectric characteristics at a ratio of ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3, generally indicated as PZT (53/47). The starting materials for lead acetate, zirconium alkoxide and titanium alkoxide compounds are weighed according to this chemical formula.

また、金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミン等の安定化剤を適量、添加してもよい。   Further, since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.

本実施例では、試料にSAM膜47を部分的に形成する表面改質工程(図4(a))と、液体吐出塗布装置100の液体吐出ヘッド50を用いてPZT前駆体溶液49を選択的に塗布する塗布工程(図4(b))と、塗布したPZT前駆体溶液49を所定温度(120℃)で乾燥させる乾燥工程(図4(c))と、乾燥したPZT前駆体溶液49を所定温度(500℃)で熱分解する熱分解工程(図4(c))とを1回ずつ行った。   In this embodiment, the PZT precursor solution 49 is selectively used by the surface modification step (FIG. 4A) for partially forming the SAM film 47 on the sample and the liquid discharge head 50 of the liquid discharge coating apparatus 100. A coating step (FIG. 4 (b)) to be applied to the substrate, a drying step (FIG. 4 (c)) to dry the applied PZT precursor solution 49 at a predetermined temperature (120 ° C.), and a dried PZT precursor solution 49 to A pyrolysis step (FIG. 4C) in which pyrolysis is performed at a predetermined temperature (500 ° C.) was performed once.

これにより、配向制御層42の表面側に、膜厚80nmの膜を得た。そして、上述した表面改質工程、塗布工程、乾燥工程、熱分解工程を6回繰り返すことにより、膜厚540nmの膜を得た。さらに、得られた膜厚430nmの膜に、700℃の結晶化熱処理を急速熱処理(RTA)にて行った。   Thereby, a film having a thickness of 80 nm was obtained on the surface side of the orientation control layer 42. And the film | membrane with a film thickness of 540 nm was obtained by repeating the surface modification process, application | coating process, drying process, and thermal decomposition process which were mentioned above 6 times. Further, crystallization heat treatment at 700 ° C. was performed on the obtained film having a thickness of 430 nm by rapid heat treatment (RTA).

その結果、配向制御層42の表面側に膜厚540nmの電気機械変換膜43を得た。この電気機械変換膜43にクラック等の不良は生じなかった。また、SAM膜47の形成により、必要なパターン形成部以外にPZT前駆体溶液49が塗布されるパターン不良の発生はなかった。   As a result, an electromechanical conversion film 43 having a film thickness of 540 nm was obtained on the surface side of the orientation control layer 42. No defects such as cracks occurred in the electromechanical conversion film 43. Further, due to the formation of the SAM film 47, there was no occurrence of a pattern defect in which the PZT precursor solution 49 was applied in addition to the necessary pattern forming portion.

(実施例7)
実施例6において得られた膜厚540nmの電気機械変換膜43に対し、さらに処理を施した。ここでは、上述と同様の表面改質工程、塗布工程、乾燥工程(120℃)、熱分解工程(500℃)を6回繰り返した後、結晶化処理を2サイクル行った。
(Example 7)
The electromechanical conversion film 43 having a film thickness of 540 nm obtained in Example 6 was further processed. Here, the same surface modification step, coating step, drying step (120 ° C.), and thermal decomposition step (500 ° C.) as described above were repeated six times, and then the crystallization treatment was performed for two cycles.

その結果、膜厚1000nmのパターン化した電気機械変換膜43を得た。この電気機械変換膜43にクラック等の不良は生じなかった。   As a result, a patterned electromechanical conversion film 43 having a thickness of 1000 nm was obtained. No defects such as cracks occurred in the electromechanical conversion film 43.

(実施例8)
実施例7において得られた膜厚1000nmの電気機械変換膜43に対し、さらに処理を施した。ここでは、電気機械変換膜43に白金から成る上部電極44をスパッタリング成膜し、電気特性および電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。
(Example 8)
The electromechanical conversion film 43 having a film thickness of 1000 nm obtained in Example 7 was further processed. Here, the upper electrode 44 made of platinum was formed on the electromechanical conversion film 43 by sputtering, and the electrical characteristics and the electromechanical conversion ability (piezoelectric constant) were evaluated.

その結果、電気特性については、図8に示すP(分極)−E(電界強度)のヒステリシス曲線が得られた。電気機械変換膜43の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は22.3μC/cm、抗電界は31.5kV/cmであった。したがって、この電気機械変換膜43は、通常のセラミック焼結体と同等の電気特性を持っていることが判明した。 As a result, regarding the electrical characteristics, a hysteresis curve of P (polarization) -E (electric field strength) shown in FIG. 8 was obtained. The electromechanical conversion film 43 had a relative dielectric constant of 1220, a dielectric loss of 0.02, a remanent polarization of 22.3 μC / cm 2 , and a coercive electric field of 31.5 kV / cm. Therefore, it was found that the electromechanical conversion film 43 has electric characteristics equivalent to those of a normal ceramic sintered body.

また、電気−機械変換能については、電界印加による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。その結果、圧電定数d31は−120pm/Vとなった。したがって、この電気機械変換膜43は、電気−機械変換能においてもセラミック焼結体と同等の値であった。この値は、一般的なインクジェットヘッドに用いる電気機械変換膜(圧電素子)として十分適用可能な特性値である。   In addition, the electro-mechanical conversion ability was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting by simulation. As a result, the piezoelectric constant d31 was −120 pm / V. Therefore, the electromechanical conversion film 43 has a value equivalent to that of the ceramic sintered body in the electromechanical conversion ability. This value is a characteristic value that is sufficiently applicable as an electromechanical conversion film (piezoelectric element) used in a general inkjet head.

さらに、この電気機械変換膜43をXRD分析した。その結果、図9に示すように、(111)配向度が91%であった。このため、面方位(111)の優先配向が確認された。また、配向比率は、数式1のように表される。
[数1]
(111)配向度 = ΣI(111)/ΣI(hkl)(ただし、h,k,lは任意の値)
Further, this electromechanical conversion film 43 was subjected to XRD analysis. As a result, as shown in FIG. 9, the (111) orientation degree was 91%. For this reason, the preferential orientation of the plane orientation (111) was confirmed. In addition, the orientation ratio is expressed as Equation 1.
[Equation 1]
(111) Degree of orientation = ΣI (111) / ΣI (hkl) (where h, k, and l are arbitrary values)

これらのことより、この電気機械変換膜43は、一般的なインクジェットヘッドに用いる電気機械変換膜として十分適用可能であることが明らかになった。   From these things, it became clear that this electromechanical conversion film 43 is sufficiently applicable as an electromechanical conversion film used for a general inkjet head.

(実施例9)
実施例7において得られた膜厚1000nmの電気機械変換膜43に対し、さらに処理を施した。ここでは、上部電極44を配置せずに、電気機械変換膜43の更なる厚膜化を試みた。具体的には、上述した表面改質工程、塗布工程、乾燥工程(120℃)、熱分解工程(500℃)の6回の繰り返しおよびその後の結晶化処理を一組として、これを10回繰り返した。
Example 9
The electromechanical conversion film 43 having a film thickness of 1000 nm obtained in Example 7 was further processed. Here, an attempt was made to further increase the thickness of the electromechanical conversion film 43 without arranging the upper electrode 44. Specifically, the above-described surface modification step, coating step, drying step (120 ° C.), pyrolysis step (500 ° C.) and the subsequent crystallization treatment are repeated 10 times as a set. It was.

その結果、膜厚5μmのパターン化した電気機械変換膜43を得た。この電気機械変換膜43にクラック等の不良は生じなかった。これにより、この電気機械変換膜43は、必要に応じて十分な厚膜化が可能であることが明らかになった。   As a result, a patterned electromechanical conversion film 43 having a thickness of 5 μm was obtained. No defects such as cracks occurred in the electromechanical conversion film 43. Thereby, it became clear that the electromechanical conversion film 43 can be sufficiently thickened as necessary.

(実施例10)
配向制御層42の膜厚を増加させるためには、(1)配向制御層前駆体溶液2の固形分濃度を増加させる、(2)配向制御層前駆体溶液2の塗布および熱処理を複数回行う、の2つの方法がある。
(Example 10)
In order to increase the film thickness of the orientation control layer 42, (1) increase the solid content concentration of the orientation control layer precursor solution 2, and (2) apply and heat-treat the orientation control layer precursor solution 2 a plurality of times. There are two methods.

本実施例では、(1)の方法を用いて、配向制御層42の膜厚増加を行った。固形分濃度が数段階に異なる配向制御層前駆体溶液2を用意し、それぞれについて塗布および熱処理を実施した。そして、短手方向中央膜厚が25,50,75,100nmとなる複数の配向制御層42を得た。そして、得られた全ての配向制御層42に対して、実施例6と同様に電気機械変換膜43を成膜した。   In this example, the film thickness of the orientation control layer 42 was increased using the method (1). Orientation control layer precursor solutions 2 having different solid content concentrations in several stages were prepared, and coating and heat treatment were performed on each. Then, a plurality of orientation control layers 42 having a short-side direction center film thickness of 25, 50, 75, and 100 nm were obtained. Then, an electromechanical conversion film 43 was formed on all the obtained orientation control layers 42 in the same manner as in Example 6.

各電気機械変換膜43をXRD分析した。その結果、図10に示すように、配向制御層42の膜厚が50nm以下で(111)配向度は90%以上であった。電気機械変換膜43の配向制御を行う場合は、配向度90%以上が好ましい値とされている。このため、本実施例では、配向制御層42の膜厚が50nm以下である場合に配向度の要求を満たした。これにより、配向制御層42の膜厚としては2nm〜50nmが好ましく、誤差等を含めて30nm程度が最も好ましいことが判明した。   Each electromechanical conversion film 43 was subjected to XRD analysis. As a result, as shown in FIG. 10, the film thickness of the orientation control layer 42 was 50 nm or less, and the (111) orientation degree was 90% or more. When the orientation control of the electromechanical conversion film 43 is performed, the orientation degree is preferably 90% or more. For this reason, in this example, the orientation degree requirement was satisfied when the orientation control layer 42 had a thickness of 50 nm or less. Thereby, it was found that the film thickness of the orientation control layer 42 is preferably 2 nm to 50 nm, and most preferably about 30 nm including an error.

また、配向度が最も高い値(95%)であった膜厚50nmの配向制御層42に成膜した電気機械変換膜43に対し、さらに処理を施した。ここでは、電気機械変換膜43に白金から成る上部電極44をスパッタリング成膜し、電気特性の評価を行った。   Further, the electromechanical conversion film 43 formed on the alignment control layer 42 having a film thickness of 50 nm having the highest degree of orientation (95%) was further processed. Here, the upper electrode 44 made of platinum was formed on the electromechanical conversion film 43 by sputtering, and the electrical characteristics were evaluated.

その結果、電気特性については、図11に示すP(分極)−E(電界強度)のヒステリシス曲線が得られた。電気機械変換膜43の比誘電率は1280、誘電損失は0.02、残留分極は24.2μC/cm、抗電界は32.5kV/cmであった。したがって、この電気機械変換膜43は、通常のセラミック焼結体と同等の電気特性を持っていることが判明した。 As a result, regarding the electrical characteristics, a hysteresis curve of P (polarization) -E (electric field strength) shown in FIG. 11 was obtained. The electromechanical conversion film 43 had a relative dielectric constant of 1280, a dielectric loss of 0.02, a residual polarization of 24.2 μC / cm 2 , and a coercive electric field of 32.5 kV / cm. Therefore, it was found that the electromechanical conversion film 43 has electric characteristics equivalent to those of a normal ceramic sintered body.

以上説明したように、本発明によれば、液体吐出ヘッドを利用したゾルゲル法により配向制御層が形成されるので、配向制御層を成膜する際に全面成膜することなく必要な部分だけパターニングして成膜できるとともに、配向制御層を薄膜化できる電気機械変換素子の製造方法、この製造方法により製造された電気機械変換素子、及びこれを用いたインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置を提供することができるという効果を奏するものであり、例えば、プリンタ装置、複写機、ファクシミリ装置等の画像記録装置に用いられるインクジェット記録装置全般に有効である。   As described above, according to the present invention, since the alignment control layer is formed by the sol-gel method using the liquid discharge head, only a necessary portion is patterned without forming the entire surface when forming the alignment control layer. And a method of manufacturing an electromechanical conversion element capable of forming a thin alignment control layer, an electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method, an ink jet head using the same, and an ink jet recording apparatus. For example, it is effective for all ink jet recording apparatuses used in image recording apparatuses such as printers, copying machines, and facsimile machines.

1 インクジェットヘッド
2 配向制御層前駆体溶液(チタン酸鉛前駆体溶液)
5 インクジェット記録装置
40 電気機械変換素子
41 下部電極(第1の電極)
42 配向制御層
43 電気機械変換膜
44 上部電極(第2の電極)
46 白金族電極(基板)
50 液体吐出ヘッド
1 Inkjet head 2 Orientation control layer precursor solution (lead titanate precursor solution)
5 Inkjet recording device 40 Electromechanical transducer 41 Lower electrode (first electrode)
42 orientation control layer 43 electromechanical conversion film 44 upper electrode (second electrode)
46 Platinum group electrode (substrate)
50 Liquid discharge head

特開2009−255532号公報JP 2009-255532 A

Claims (4)

基板上に、第1の電極と、配向制御層と、電気機械変換膜と、第2の電極とを積層して成る電気機械変換素子を製造する電気機械変換素子の製造方法において、
前記基板の表面側に白金族合金からなる前記第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記第1の電極の表面側に、前記配向制御層を形成する配向制御層形成工程と、
前記配向制御層の表面側に、前記電気機械変換膜を形成する電気機械変換膜形成工程と、
前記電気機械変換膜の表面側に、前記第2の電極を形成する第2の電極形成工程と
を備え、
前記配向制御層形成工程は、
前記第1の電極の表面側の配向制御層前駆体溶液を塗布する第1の部分以外の第2の部分に、前記配向制御層前駆体溶液の付着を阻害する表面改質を施す表面改質工程と、
前記表面改質工程により表面改質が施された前記第1の電極の表面側の、前記表面改質工程により表面改質が施されていない前記第1の部分に液体吐出ヘッドのノズルを対向させ、ゾルから成る前記配向制御層前駆体溶液を前記ノズルから吐出することにより前記第1の電極の前記第1の部分に前記配向制御層前駆体溶液を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程により前記第1の電極の前記第1の部分に塗布した前記配向制御層前駆体溶液を熱処理して前記第1の電極上で結晶化して前記配向制御層を形成する熱処理工程と
酸化物の前記配向制御層が形成された前記第1の電極の表面側に前記表面改質を施すことにより、前記配向制御層が形成された前記第1の部分以外の前記第2の部分に表面改質を施す第2の表面改質工程と、
前記第2の表面改質工程により表面改質が施された前記第1の電極の表面側において、前記配向制御層が形成された前記第1の部分に前記液体吐出ヘッドの前記ノズルを対向させ、ゾルから成るPZT前駆体溶液を前記ノズルから吐出することにより前記配向制御層の表面に前記PZT前駆体溶液を塗布する第2の塗布工程と、
前記第2の塗布工程により塗布した前記PZT前駆体溶液を熱処理して結晶化することで前記電気機械変換膜を形成する第2の熱処理工程と、
を有することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
In the method of manufacturing an electromechanical conversion element for manufacturing an electromechanical conversion element formed by laminating a first electrode, an orientation control layer, an electromechanical conversion film, and a second electrode on a substrate,
A first electrode forming step of forming the first electrode made of a platinum group alloy on the surface side of the substrate;
An alignment control layer forming step of forming the alignment control layer on the surface side of the first electrode;
An electromechanical conversion film forming step of forming the electromechanical conversion film on the surface side of the orientation control layer;
On the surface side of the electro-mechanical conversion film, Bei example a second electrode forming step of forming the second electrode,
The alignment control layer forming step includes
Surface modification for applying surface modification for inhibiting adhesion of the orientation control layer precursor solution to a second portion other than the first portion to which the orientation control layer precursor solution is applied on the surface side of the first electrode. Process,
Opposite the nozzle of the surface modification step of the surface side of the first electrode surface modification has been performed by the liquid discharge head on the first portion surface modification is not applied by the surface modification step And applying the alignment control layer precursor solution to the first portion of the first electrode by discharging the alignment control layer precursor solution made of sol from the nozzle;
A heat treatment step of heat-treating the orientation control layer precursor solution applied to the first portion of the first electrode by the application step and crystallizing the first electrode on the first electrode to form the orientation control layer; ,
By applying the surface modification to the surface side of the first electrode on which the orientation control layer of oxide is formed, the second portion other than the first portion on which the orientation control layer is formed is formed. A second surface modification step for surface modification;
The nozzle of the liquid ejection head is made to face the first portion where the orientation control layer is formed on the surface side of the first electrode that has been surface-modified by the second surface modification step. A second coating step of coating the PZT precursor solution on the surface of the orientation control layer by discharging a PZT precursor solution made of sol from the nozzle;
A second heat treatment step of forming the electromechanical conversion film by heat-treating and crystallizing the PZT precursor solution applied in the second application step;
Method for manufacturing electromechanical transducer, characterized by have a.
上述した請求項1に記載の電気機械変換素子の製造方法により製造したことを特徴とする電気機械変換素子。 Electromechanical transducer, characterized in that manufactured by the manufacturing method of electromechanical transducer of claim 1 described above. 請求項に記載の電気機械変換素子を備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。 An ink-jet head comprising the electromechanical transducer according to claim 2 . 請求項に記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。 An inkjet recording apparatus comprising the inkjet head according to claim 3 .
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