JP5906610B2 - Thin film manufacturing apparatus and thin film manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェット法による薄膜製造装置及び薄膜製造方法に関するものであり、特に、電気機械変換膜を形成する場合に好適な薄膜製造装置及び薄膜製造方法に関する。さらに、該電気機械変換素子を用いた液体吐出ヘッド、インクジェットプリンタに関する。 The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus and a thin film manufacturing method using an ink jet method, and more particularly to a thin film manufacturing apparatus and a thin film manufacturing method suitable for forming an electromechanical conversion film. Furthermore, the present invention relates to a liquid discharge head and an ink jet printer using the electromechanical conversion element.
電気機械変換素子(圧電素子)を用いた液体吐出ヘッドを高密度化する技術として、特許文献1等に示されるように、MEMS(マイクロ エレクトロ メカニカル システム)を応用した技術が開示されている。すなわち、半導体デバイス製造技術を応用し、アクチュエータ,液体流路を微細に形成することにより、ノズル密度を高密度にすることができるため、ヘッドの小型化,高集積化が可能になる。
As a technique for increasing the density of a liquid discharge head using an electromechanical transducer (piezoelectric element), a technique using MEMS (micro electro mechanical system) is disclosed as disclosed in
このようなMEMS技術を採用した液体吐出ヘッドでは、薄膜技術で形成された振動板上に、薄膜形成技術で形成した電極,電気機械変換膜(圧電体)をフォトリソグラフィでパターニングし、電気機械変換素子を形成することでアクチュエータとすることができる。 In a liquid discharge head employing such MEMS technology, an electrode and an electromechanical conversion film (piezoelectric body) formed by thin film formation technology are patterned on a diaphragm formed by thin film technology by photolithography to perform electromechanical conversion. An actuator can be formed by forming an element.
電気機械変換素子の形成に関して、以下のような方法が知られている。
すなわち、下部電極上に各種の真空成膜法(例えばスパッタリング法、MO-CVD法(金属有機化合物を用いた化学的気相成長法)、真空蒸着法、イオンプレーティング法)やゾルゲル法、水熱合成法、AD(エアロゾルデポジション)法、塗布・熱分解法(MOD)などの周知の成膜技術により電気機械変換膜を堆積させ、引き続き上部電極を形成した後、フォトリソグラフィエッチングにより、上部電極のパターニングを行い、同様に電気機械変換膜、下部電極のパターニングを行い、電気機械変換素子の形成を行うものである。
The following methods are known for forming an electromechanical transducer.
That is, various vacuum film formation methods (for example, sputtering method, MO-CVD method (chemical vapor deposition method using metal organic compound), vacuum deposition method, ion plating method), sol-gel method, water on the lower electrode An electromechanical conversion film is deposited by a well-known film forming technique such as a thermal synthesis method, an AD (aerosol deposition) method, or a coating / pyrolysis method (MOD), and then an upper electrode is formed. The electrode is patterned, and similarly, the electromechanical conversion film and the lower electrode are patterned to form an electromechanical conversion element.
このうち、ゾルゲル法に関し、例えばインクジェット法によりチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の前駆体を基材に塗布、焼成することによって電気機械変換素子を形成する技術が既に知られている。この方式は、所望の領域に選択的にPZT前駆体を塗布することが可能であり、鉛を含有するPZT前駆体の消費量を抑制することが可能であるため、環境面において有利である。 Among these, regarding the sol-gel method, for example, a technique of forming an electromechanical conversion element by applying a precursor of lead zirconate titanate (PZT) to a base material by an ink jet method and baking is already known. This method is advantageous in terms of the environment because the PZT precursor can be selectively applied to a desired region and the consumption of lead-containing PZT precursor can be suppressed.
しかしながら、インクジェット法は、複数ノズル、非接触手段による液体の塗布方法であり、さらに液体吐出ヘッドが搭載されたキャリッジと基材間の相対移動手段の位置ばらつきによって、パターン形成精度に数μm〜数十μm程度のばらつきが発生するため、電気機械変換素子の形状がばらつき、電気機械変換素子の電気特性に不具合を生じる要因となる。 However, the ink-jet method is a method of applying a liquid using a plurality of nozzles and non-contact means, and the pattern formation accuracy is several μm to several tens due to the positional variation of the relative movement means between the carriage on which the liquid discharge head is mounted and the substrate. Since a variation of about 10 μm occurs, the shape of the electromechanical conversion element varies, which causes a problem in the electrical characteristics of the electromechanical conversion element.
この不具合を解消する方法として、基材の表面に親液性の領域と撥液性の領域からなる表面エネルギーの差を有する領域をパターニング形成し、親液性の領域にインクジェット法により機能性インク(例えば、PZT前駆体)を滴下して、所定のパターンに電気機械変換膜を形成する技術がある。 As a method for solving this problem, an area having a difference in surface energy consisting of a lyophilic area and a lyophobic area is formed by patterning on the surface of the substrate, and a functional ink is formed on the lyophilic area by an inkjet method There is a technique in which an electromechanical conversion film is formed in a predetermined pattern by dropping (for example, a PZT precursor).
このパターニング方法の一つとしてマイクロコンタクトプリント(μCP)法という技術が既に知られている。この技術は、ナノメートル乃至マイクロメートルオーダの凹凸パターンを形成したミリメートル乃至マイクロメートルオーダの厚みを有するPDMS(ポリジメチルシロキサン)樹脂を印刷用版として用い、機能性インク(PZT前駆体)に対して撥液性(あるいは親液性)を有する溶液(有機分子含有溶液)を用いて、高解像度の撥液性(あるいは親液性)パターンを接触方式により印刷することを特徴としている(特許文献2,3参照。)。 As one of the patterning methods, a technique called micro contact printing (μCP) method is already known. This technology uses a PDMS (polydimethylsiloxane) resin having a thickness on the order of millimeters to micrometers, with a concavo-convex pattern on the order of nanometers to micrometers, as a printing plate, and to a functional ink (PZT precursor). Using a solution (organic molecule-containing solution) having liquid repellency (or lyophilicity), a high-resolution liquid repellency (or lyophilic) pattern is printed by a contact method (Patent Document 2). , 3).
あるいは別のパターニング方法として、アルカンチオールが特定金属上に自己配列する現象を利用した技術が知られている(非特許文献1参照。)。すなわち、白金族金属(例えばPt)の膜上にアルカンチオールを自己組織化単分子膜(SAM;Self Assembled Mono-layer)として形成し、周知のフォトリソグラフィ技術によりこのSAM膜を所定のパターンにエッチングして、機能性インク(PZT前駆体)に対して、パターン化SAM膜からなる疎液性(撥液性)の領域とPtからなる親液性の領域を形成するものである。 Alternatively, as another patterning method, a technique using a phenomenon in which alkanethiol self-aligns on a specific metal is known (see Non-Patent Document 1). That is, alkanethiol is formed as a self-assembled monolayer (SAM) on a platinum group metal (eg, Pt) film, and this SAM film is etched into a predetermined pattern by a well-known photolithography technique. Thus, a liquid-phobic (liquid-repellent) region composed of a patterned SAM film and a lyophilic region composed of Pt are formed for the functional ink (PZT precursor).
ここで、PZT前駆体の機能性インクはPZT前駆体を溶解する溶媒が限られているため、液体吐出ヘッドから安定吐出させるには吐出波形の工夫などが必要となる。しかしながら、吐出波形の最適化による安定吐出には限界があり、インク吐出時にメインの液滴の後にミストと呼ばれる体積が小さくまた速度が遅い液滴が発生する。このミストはステージ移動に伴う気流などによって液体吐出ヘッド側に押し戻され、ノズル付近にミストが付着することがある。また、吐出で下方に飛び出すができなかった微小液滴がノズルの縁に付着すると、PZT前駆体溶液はゾルゲル溶液であるため、しばらくすると加水分解してゲル化し、吐出曲がりや速度ずれの原因となる。さらにノズル付近に微小液滴が溜まると、ノズル詰まりを引き起こすこともある。こうして正常な吐出ができなくなるため、パターン不良の原因となった。 Here, since the functional ink of the PZT precursor has a limited solvent for dissolving the PZT precursor, it is necessary to devise a discharge waveform in order to stably discharge from the liquid discharge head. However, there is a limit to stable ejection by optimizing the ejection waveform, and a droplet called a mist with a small volume and a slow speed is generated after the main droplet during ink ejection. This mist may be pushed back to the liquid discharge head side by an air flow accompanying the stage movement, and the mist may adhere to the vicinity of the nozzle. In addition, if a fine droplet that could not be ejected downward by ejection adheres to the edge of the nozzle, the PZT precursor solution is a sol-gel solution, and after a while it hydrolyzes and gels, causing ejection bend and speed deviation. Become. Furthermore, when micro droplets accumulate near the nozzle, the nozzle may be clogged. In this way, normal ejection cannot be performed, which causes a pattern defect.
このとき、液体吐出ヘッドにおけるノズルへのインクの付着に対して、適宜ブレード形状のワイプ部材をノズル面に押し当てて該インクを払拭する種々の技術が提案されているが(特許文献4〜6参照。)、その問題を完全に解決するには至っていなかった。
At this time, various techniques for wiping the ink by appropriately pressing a blade-shaped wipe member against the nozzle surface against ink adhesion to the nozzle in the liquid ejection head have been proposed (
本発明は、以上の従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、機能性インクの吐出安定性を有するインクジェット法による薄膜製造装置を提供することを目的とする。また、該薄膜製造装置を用いた薄膜製造方法、該薄膜製造方法により製造される電気機械変換素子、液体吐出ヘッド、インクジェットプリンタ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 in the prior art, and an object of the present invention is to provide a thin film manufacturing apparatus using an inkjet method having functional ink ejection stability. Another object of the present invention is to provide a thin film manufacturing method using the thin film manufacturing apparatus, an electromechanical conversion element manufactured by the thin film manufacturing method, a liquid discharge head, and an ink jet printer.
前記課題を解決するために提供する本発明は、基板を保持するステージと、前記ステー
ジに対向して配置されインクジェット法により機能性インクをノズルから吐出して前記基
板上に塗布する液体吐出ヘッドと、を有し、前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドを相
対的に移動させて前記基板上に機能性インクを吐出し任意のパターンで塗布する液体吐出
塗布機構部と、前記基板上の機能性インクを加熱し結晶化させて機能性薄膜とする加熱機
構部と、を備え、前記液体吐出塗布機構部におけるステージは、前記液体吐出ヘッドの前
記機能性インクを塗布するときの走査行路上に前記ノズルと摺擦するワイピングブレード
を有し、前記ワイピングブレードは、前記ステージ上の前記液体吐出ヘッドの走査行路における走査方向の両端部側に配置されるものであって、少なくとも前記基板の前記走査方向に直交する方向の幅と同じ長さをもつ平板形状のブレードであることを特徴とする薄膜製造装置である。
The present invention provided to solve the above problems includes a stage for holding a substrate, and a liquid ejection head that is disposed opposite to the stage and that ejects functional ink from a nozzle by an ink jet method and applies the functional ink onto the substrate. A liquid discharge application mechanism that discharges the functional ink onto the substrate by relatively moving the stage and / or the liquid discharge head, and applying the ink in an arbitrary pattern, and the functional ink on the substrate A heating mechanism section that heats and crystallizes to form a functional thin film, and the stage in the liquid discharge application mechanism section has the nozzle on a scanning path when the functional ink of the liquid discharge head is applied. have a wiping blade rubbing with the wiping blade arrangement on both end sides of the scanning direction in the scanning path of the liquid ejecting head on the stage Be one that is a thin film manufacturing apparatus, characterized in that the blade plate shape having the same length as the width perpendicular to the scanning direction of at least the substrate.
本発明の薄膜製造装置によれば、ステージが液体吐出ヘッドの機能性インクを塗布するときの走査行路上にノズルと摺擦するワイピングブレードを有することにより、機能性インクの塗布時のステージ及び/又は液体吐出ヘッドの走査ごとにノズルのワイピング処理が行われるので、機能性インクの吐出安定性を確保することができる。 According to the thin film manufacturing apparatus of the present invention, the stage has a wiping blade that slides on the scanning path when the functional ink of the liquid ejection head is applied. Alternatively, the nozzle wiping process is performed for each scan of the liquid ejection head, so that the ejection stability of the functional ink can be ensured.
〔薄膜製造装置〕
以下に、本発明に係る薄膜製造装置の構成について説明する。
まず、本発明に係る薄膜製造装置は、基板を保持するステージと、前記ステージに対向して配置されインクジェット法により機能性インクをノズルから吐出して前記基板上に塗布する液体吐出ヘッドと、を有し、前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドを相対的に移動させて前記基板上に機能性インクを吐出し任意のパターンで塗布する液体吐出塗布機構部と、前記基板上の機能性インクを加熱し結晶化させて機能性薄膜とする加熱機構部と、を備え、前記液体吐出塗布機構部におけるステージは、前記液体吐出ヘッドの前記機能性インクを塗布するときの走査行路上に前記ノズルと摺擦するワイピングブレードを有することを特徴とするものである。
なお、加熱機構部において機能性インクを加熱する手段としては、ホットプレート、オーブン、あるいはハロゲンランプ、キセノンランプ、赤外線ランプ等の加熱手段や、YAGレーザ、CO2レーザ、Arレーザ等のレーザ照射手段を用いる。
ここで、本発明の薄膜製造装置は、液体吐出塗布機構部に特徴を有するため、以下、該液体吐出塗布機構部について説明する。
[Thin film manufacturing equipment]
Below, the structure of the thin film manufacturing apparatus which concerns on this invention is demonstrated.
First, a thin film manufacturing apparatus according to the present invention includes a stage that holds a substrate, and a liquid ejection head that is disposed opposite to the stage and that ejects functional ink from a nozzle by an ink jet method and applies the functional ink onto the substrate. A liquid discharge application mechanism that discharges the functional ink onto the substrate by applying relative movement of the stage and / or the liquid discharge head, and heats the functional ink on the substrate. A heating mechanism section that is crystallized into a functional thin film, and a stage in the liquid discharge application mechanism section slides on the scanning path when the functional ink of the liquid discharge head is applied. It has a wiping blade for rubbing.
In addition, as a means for heating the functional ink in the heating mechanism section, a heating means such as a hot plate, an oven, a halogen lamp, a xenon lamp, an infrared lamp, or a laser irradiation means such as a YAG laser, a CO 2 laser, an Ar laser, etc. Is used.
Here, since the thin film manufacturing apparatus of the present invention is characterized by the liquid discharge application mechanism unit, the liquid discharge application mechanism unit will be described below.
図1は、本発明に係る薄膜製造装置に用いられる液体吐出塗布機構部の構成例を示す斜視図である。
図1に示すように、液体吐出塗布機構部はいわゆるインクジェット塗布装置であって、装置のベースとなる架台200と、架台200の上に設置され、ステージ203をY軸方向に移動させるY軸駆動手段201と、該Y軸駆動手段201の上に設置され、その上に基板202を保持しワイピングブレード212を有するステージ203と、ステージ203上に対向して配置され、機能性インクを吐出する液体吐出ヘッド(以下、IJヘッド)208と、ヘッドベース206を介してIJヘッド208を支持するとともにZ軸方向に移動させるZ軸駆動手段211と、IJヘッド208,ヘッドベース206及びZ軸駆動手段211を支持してX軸方向に移動させるX軸駆動手段205と、該X軸駆動手段205を支持するX軸支持部材204と、を備える。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a liquid discharge coating mechanism used in a thin film manufacturing apparatus according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the liquid discharge application mechanism is a so-called inkjet coating apparatus, which is a base 200 as a base of the apparatus, and is installed on the
ここで、IJヘッド208は、図2に示すように、振動板540と、振動板540上に密着層500dを介して設けられた圧電素子である電気機械変換素子501と、機能性インクが充填される圧力室(個別液室ともいう)21と、機能性インクを吐出する液滴吐出孔であるノズル505が圧力室506に対応して設けられたノズル板504と、を有する。
Here, as shown in FIG. 2, the
また、圧力室506は、振動板540と、圧力室基板503の壁面(隔壁部)と、ノズル板504と、で囲まれた空間である。
The
また、振動板540の圧力室506とは反対面側に、密着層500d,下部電極500a,圧電体である電気機械変換膜500b,上部電極500cが積層されてなる電気機械変換素子501が形成されている。また、圧力室506の振動板540に対向する板面がノズル板504となっている。
In addition, an
このように構成されたIJヘッド208において、各圧力室506内に液体、例えば機能性インクが満たされた状態で、図示しない制御部から所定のパターンデータに基づいて、発振回路により、記録性インクの吐出を行いたいノズル505に対応する上部電極500cに対して、パルス電圧を印加する。この電圧パルスを印加することにより、電気機械変換膜500bは、電歪効果により電気機械変換膜500bそのものが振動板540と平行方向に縮むことにより、振動板540が圧力室506側に凸となるように撓むことになる。これにより、圧力室506内の圧力が急激に上昇して、圧力室506に連通するノズル505から機能性インクが吐出されるようになる。このとき、ノズル505から数十〜数百の液滴が連続的に吐出される。次に、パルス電圧印加後は、縮んだ電気機械変換膜500bが元に戻ることから撓んだ振動板540は、元の位置に戻り、機能性インクが共通液室533(後述)から圧力室506に供給される。以上の動作制御を繰り返すことにより、IJヘッド208は機能性インクの液滴を連続的に吐出できる。なお、不図示のインクタンクからインク供給用パイプ210を経由してIJヘッド208に機能性インクが供給されるようになっている。
In the
ステージ203は、真空、静電気などを利用して基板202をステージ203の主面上に吸着して保持する吸着手段を有する。
The
また、ステージ203は、機能性インクを塗布するときのIJヘッド208の走査行路上にノズル505と摺擦するワイピングブレード212を有する。このワイピングブレード212は、ステージ203上のIJヘッド208の走査行路における走査方向の一方の端部側または両端部側に配置されることが好ましい。図1では、ワイピングブレード212は、ステージ203において、IJヘッド208が塗布時にY軸方向に移動走査するときの移動開始位置付近と移動終了位置付近それぞれに配置されており、Y軸駆動手段201によりステージ203とともにステージ203における配置が変わることなく移動するようになっている。また、ワイピングブレード212は、少なくとも基板202の幅(X軸方向の長さ)と同じ長さをもつ平板形状のブレードであって、その長手方向をX軸方向としてZ軸方向(ステージ203の主面に対して垂直方向)に立設されている。このとき、ワイピングブレード212のZ軸方向の高さはその先端がIJヘッド208のノズル板504のノズル面(基板202側に面する主面)にわずかに接触する程度となっている。また、ワイピングブレード212の少なくともZ軸方向の先端部分、すなわちノズル505と摺擦する部分は可撓性を有する。
The
これにより、機能性インク塗布のための走査のとき、IJヘッド208のY軸方向への走査開始時に、2つのワイピングブレード212の一方がIJヘッド208のノズル板504のノズル面と摺擦してワイピング処理が行われ、IJヘッド208のY軸方向への走査終了時に、2つのワイピングブレード212の他方がIJヘッド208のノズル板504のノズル面と摺擦してワイピング処理が行われる。
Thereby, at the time of scanning for applying functional ink, one of the two wiping
なお、ワイピング処理とは、ワイピングブレード212がIJヘッド208のノズル板504のノズル面と摺擦して、ノズル505及びその近傍に付着した機能性インクを払拭する処理である。
The wiping process is a process in which the
図3に、ワイピングブレード212の構成例1を示す。
図3に示すように、ワイピングブレード212は、平板形状の支持部材213と、支持部材213の一端面に固設され、その先端がノズル板504のノズル面と接触するノズル接触部214とから構成されている。
FIG. 3 shows a configuration example 1 of the
As shown in FIG. 3, the
このうち、支持部材213は、ステージ203に用いられるような金属やセラミックなどからなり、ノズル接触部214がノズル板504と摺擦しても変形しない程度の剛性を有している。
Of these, the
また、ノズル接触部214は、可撓性のあるシリコーン樹脂やゴム材などからなり、Z軸方向の先端に向かうにつれて厚みを薄くして、Y−Z平面における断面形状を凸形状としている。これにより、ワイピングブレード212の先端(ノズル接触部214)をIJヘッド208のノズル板504のノズル面に均等な圧力で接触させることができ、ノズル板504に付着した機能性インクを効率的に払拭することが可能となる。
The
以上の構成の液体吐出塗布機構部により、IJヘッド208に対向して配置された基板202に所定パターンで機能性インクを塗布することが可能となる。またこのとき、IJヘッド208のY軸方向の走査ごとの走査開始時及び走査終了時に、ワイピングブレード212がノズル505と摺擦するワイピング処理が行われるようになる。
With the liquid discharge application mechanism having the above-described configuration, it is possible to apply functional ink in a predetermined pattern to the
詳しくは、機能性インクの塗布時に、つぎのように処理が行われる(図4〜図8)。
(S11) Z軸駆動手段211によりIJヘッド208がZ軸方向に移動し基板202との距離が調整された後、Y軸駆動手段201によりステージ203がY軸方向(図1において、例えばY(+)方向、図4において右方向)に移動を開始する(図4)。
(S12) ステージ203のY軸方向(Y(+)方向)への移動開始直後に、2つのワイピングブレード212の一方(図5において右側)がIJヘッド208におけるノズル板504のノズル面と摺擦し、ワイピング処理を行う(図5)。なお、インク吐出前であるが、機能性インクによってはIJヘッド208を放置するとノズル面が圧力室506内の機能性インクで少し濡れる場合があり、このワイピング処理によりその機能性インクを払拭する。
(S13) さらにステージ203がY軸方向(Y(+)方向)へ移動しながら、入力されたパターンに基づきIJヘッド208から機能性インク209が吐出されステージ203とともに移動する基板202の所定位置に塗布を行う(図6)。このとき、前述の通り、機能性インクがノズル面においてノズル505及びその近傍に付着する。
(S14) ステージ203のY軸方向(Y(+)方向)への移動終了直前に、2つのワイピングブレード212の他方(図7において左側)がIJヘッド208におけるノズル板504のノズル面と摺擦し、ワイピング処理を行う(図7)。さらに、ステージ203がY軸方向(Y(+)方向)へ移動して、Y軸方向の一走査が終了する(図8)。
(S15) ついで、そのY軸方向の一走査が終わると、X軸駆動手段205によりIJヘッド208がX軸方向のつぎのY軸方向走査位置に移動する。
(S16) ステップS11〜S15の動作が行われる。この場合、ステージ203はY軸方向において逆方向(Y(−)方向)に移動する。
Specifically, the processing is performed as follows when functional ink is applied (FIGS. 4 to 8).
(S11) After the
(S12) Immediately after the
(S13) Further, while the
(S14) Immediately before the end of the movement of the
(S15) Then, when one scanning in the Y-axis direction is completed, the
(S16) Steps S11 to S15 are performed. In this case, the
以上のステップS11〜S16が入力されたパターンが塗布されるまで繰り返し行われ、基板202に所定のパターンの機能性インクが塗布されることになる。このとき塗布するパターンにもよるが、通常、数十回の走査(スキャン)が行われる。なお、Y軸方向の走査に関してはIJヘッド208とステージ203との間で相対的に移動する構成であればどのような構成でもよく、ここではIJヘッド208を固定しステージ203を移動させる例を示したが、ステージ203を固定しIJヘッド208を移動する構成としてもよい。
The above steps S11 to S16 are repeated until the input pattern is applied, and the functional ink having a predetermined pattern is applied to the
このように、機能性インクの塗布時において、IJヘッド208のY軸方向の走査ごとに、特別なIJヘッド208の走査制御を行うことなく、その一走査の前後でノズル505及びその付近のノズル板504に付着した機能性インクを払拭するので、ノズル詰まりを防止し、機能性インクの吐出安定性を確保することができ、目的のパターンの機能性インクの塗膜を形成することが可能となる。なお、従来のワイピングブレード212を有しない液体吐出塗布機構部では、塗布時の走査数が多いほど、ノズル面に付着する機能性インクの量や面積が増えるため、塗膜のパターン不良が発生しやすくなる。
As described above, at the time of applying functional ink, the
またここでは、ステージ203の両端部側にワイピングブレード212を有する構成を説明したが、図9に示すように、ステージ203上のIJヘッド208の走査行路における走査方向の一方の端部側(図9において左側)のみにワイピングブレード212を配置するようにしてみよい。ワイピングブレード212をステージ203の両端部側に配置するか、一方の端部側に配置するかは、機能性インクの安定性や塗布パターンを考慮して決定するとよい。
Further, here, the configuration in which the
また、ワイピングブレード212は、ノズル505と摺擦する部分に機能性インクの溶媒を供給する溶媒供給手段を有することが好ましい。PZT前駆体のように乾燥しやすい機能性インクを使用する場合、ノズル505に付着するとそのままではノズル詰まりが発生しやすくなる。そこで、溶媒供給手段によりワイピングブレード212におけるノズル505と摺擦する部分(ノズル接触部214の先端)に機能性インクの溶媒、例えば1−プロパノールやエタノールを供給するようにしてやると、前述のようにノズル接触部214の先端がノズル505と摺擦したときにノズル505に溶媒が供給され、そこに付着した機能性インクが乾燥固化することを防止することができ、その除去が容易になることからノズル詰まりを防止することが可能となる。
図10〜図13にその例を示す。
In addition, the
Examples thereof are shown in FIGS.
図10は、ワイピングブレード212の構成例2を示す斜視図である。
図10に示すように、支持部材213の底部からノズル接触部214の先端にかけてワイピングブレード212内部を通る溶媒供給チューブ215を設けており、ノズル接触部214の長手方向(X軸方向)中央部に溶媒を供給する構造となっている。
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration example 2 of the
As shown in FIG. 10, a
図11は、ワイピングブレード212の構成例3を示す斜視図である。
図11に示すように、ノズル接触部214の長手方向(X軸方向)端部からノズル接触部214の先端にかけてノズル接触部214内部を通る溶媒供給チューブ215を設けており、ノズル接触部214の長手方向(X軸方向)中央部に溶媒を供給する構造となっている。
FIG. 11 is a perspective view showing a configuration example 3 of the
As shown in FIG. 11, a
図12は、ワイピングブレード212の構成例4を示す斜視図である。
図12に示すように、ノズル接触部214の先端(ワイピングブレード212におけるノズル505と摺擦する部分)にノズル接触部214の長手方向(X軸方向)に延びる溝部214aを設け、該溝部214aに図10または図11に示した溶媒供給チューブ215が接続されている。
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration example 4 of the
As shown in FIG. 12, a
これにより、溶媒供給チューブ215から供給された溶媒が溝部214aに貯留され、ノズル接触部214の先端がノズル505と摺擦したときにノズル505に安定して溶媒を供給することができるので、確実にノズル詰まりを防止することが可能となる。
As a result, the solvent supplied from the
なお、図12ではノズル接触部214の先端部分の平坦面の一部に溝部214aを設けるようにしていたが、図13に示すように、ノズル接触部214の先端部分の平坦面全面に溶媒を貯留する溝部214a’を設けるようにしてもよい。
In FIG. 12, the
また、溶媒供給チューブ215から供給される溶媒をノズル505のワイピング処理に使用するだけではなく、ワイピングブレード212自体の洗浄に用いてもよい。機能性インクには固化しやすいものが多いため、ワイピング処理直後に溶媒を供給してワイピングブレード212に付着した機能性インクを洗い流すことによって、ワイピングブレード212を清浄な状態に保つことができる。
Further, the solvent supplied from the
〔薄膜製造方法〕
次に、本発明に係る薄膜製造方法について説明する。
本発明に係る薄膜製造方法は、前述した本発明の薄膜製造装置を用いて基板上に機能性薄膜を形成する薄膜製造方法であって、前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドを相対的に走査させながら、前記液体吐出ヘッドから機能性インクを吐出させて前記基板上に任意のパターンで塗布するインクジェット塗布工程と、前記基板上の機能性インクを加熱し結晶化させて機能性薄膜とする加熱工程と、を備え、前記インクジェット塗布工程は、前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドの走査ごとの走査開始時及び/又は走査終了時に、前記ワイピングブレードが前記ノズルと摺擦するワイピング処理を有することを特徴とするものである。
ここで、前記インクジェット塗布工程は、撥液部と親液部からなるパターンを形成した基板上に、前記機能性インクを塗布するものであることが好適である。
なお、機能性薄膜とは、後述する下部電極500a、電気機械変換膜500b、上部電極500cなどである。
[Thin film manufacturing method]
Next, the thin film manufacturing method according to the present invention will be described.
The thin film manufacturing method according to the present invention is a thin film manufacturing method for forming a functional thin film on a substrate using the above-described thin film manufacturing apparatus of the present invention, and relatively scanning the stage and / or the liquid discharge head. However, an ink jet coating process in which functional ink is ejected from the liquid ejection head and applied in an arbitrary pattern on the substrate, and a heating process in which the functional ink on the substrate is heated and crystallized to form a functional thin film. The inkjet coating step includes a wiping process in which the wiping blade rubs against the nozzle at the start of scanning and / or at the end of scanning for each scanning of the stage and / or liquid ejection head. It is what.
Here, it is preferable that the ink jet coating step is to coat the functional ink on a substrate on which a pattern including a liquid repellent portion and a lyophilic portion is formed.
The functional thin film includes a
以下、本発明の薄膜製造方法の詳細について説明する。
(i)SAM膜のパターニング
図14に、SAM膜のパターニング方法を示す。ここでは、図14(a),(b),(c)に3つの方法を示す。
Details of the thin film manufacturing method of the present invention will be described below.
(I) Patterning of SAM film FIG. 14 shows a patterning method of the SAM film. Here, three methods are shown in FIGS. 14 (a), (b), and (c).
(パターニング方法1)
(S21) まず基板202を用意する。ここでは、例えば振動板540の表面にチオールとの反応性に優れたPtからなる密着層500dを形成したものを基板202として用いる(図14(a1))。
(S22) 機能性溶液を用いて基板202表面に均一なSAM膜300を形成する(図14(a2))。
(Patterning method 1)
(S21) First, the
(S22) A
ここで用いる機能性溶液は、基板202に撥液性または親液性を付与するための有機分子含有溶液であり、例えばCnH2n+1SH(n=6〜18)で示されるアルカンチオール化合物やCnF2n+1(CH2)2SHで示されるフルオロアルキルチオール化合物等の撥液材料を用いることができる。また、所望の撥液性、あるいは基板202表面に対する反応性にしたがって材料種、あるいは濃度を適宜選択することができる。これらの化合物はアルコール、アセトン、トルエン、キシレン等の有機溶媒に溶解することにより、機能性溶液とする。
The functional solution used here is an organic molecule-containing solution for imparting liquid repellency or lyophilicity to the
この機能性溶液中に基板202を所定時間浸漬し、取り出した後に余分な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥することにより、SAM膜300を形成する。
The
(S23) ついで、従来公知のフォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト300pをパターン形成する(図14(a3))
(S24) ステップS23の材料表面から酸素プラズマなどによりドライエッチングを行って露出しているSAM膜300を除去し、ついでフォトレジスト300pを除去して撥液部(撥液性領域)301、親液部(親液性領域)302からなる所定パターンのSAM膜300を得る(図14(a4))。ここでは、SAM膜300が残存している領域が撥液部301となり、SAM膜300が除去された領域が親液部302となっている。
(S23) Next, a
(S24) The exposed
(パターニング方法2)
(S31) まず基板202を用意する。ここでは、例えば振動板540の表面にチオールとの反応性に優れたPtからなる密着層500dを形成したものを基板202として用いる(図14(b1))。
(S32) 基板202表面に所定パターンのマスク層300rを形成する(図14(b2))。マスク層300rは、従来公知のフォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト膜から形成するとよい。
(S33) 機能性溶液を用いて基板202表面にSAM膜300を形成する(図14(b3))。このとき、マスク層300rから露出している基板202表面にSAM膜300が形成される。
(S34) マスク層300rを除去して、撥液部(撥液性領域)301、親液部(親液性領域)302からなる所定パターンのSAM膜300を得る(図14(b4))。
(Patterning method 2)
(S31) First, the
(S32) A
(S33) The
(S34) The
(パターニング方法3)
(S41) まず基板202を用意する。ここでは、例えば振動板540の表面にチオールとの反応性に優れたPtからなる密着層500dを形成したものを基板202として用いる(図14(c1))。
(S42) パターニング方法1と同様に、機能性溶液を用いて基板202表面に均一なSAM膜300を形成する(図14(c2))。
(S43) ステップS42の材料の表面にフォトマスク300mを配置し、その上から紫外線を露光する(図14(c3))。これにより、露光部分のSAM膜300は消失し、未露光部分のSAM膜300は残存し、撥液部(撥液性領域)301、親液部(親液性領域)302からなる所定パターンのSAM膜300を得る(図14(c4))。
(Patterning method 3)
(S41) First, the
(S42) Similar to the
(S43) A
本発明では、以上の3つのパターニング方法のいずれを用いてもよい。あるいは、マイクロコンタクトプリント法により、所望の撥液部(撥液性領域)301、親液部(親液性領域)302からなる所定パターンのSAM膜300を形成してもよい。なお、本工程により得られた基板202において、例えばSAM膜300が残存している領域では純水に対する接触角が92度と疎水性(撥水性)を示し、SAM膜300が除去され密着層500dが露出している領域では純水に対する接触角が54度と親水性を示す。
In the present invention, any of the above three patterning methods may be used. Alternatively, the
(ii)機能性薄膜の形成
本発明の薄膜製造装置を用いた機能性薄膜の形成においては、一度の成膜で得られる薄膜の厚さには限度があるため、インクジェット塗布工程及び加熱工程を繰り返し行い、積層することにより所定の膜厚の機能性薄膜を形成するとよい。
(Ii) Formation of functional thin film In the formation of a functional thin film using the thin film production apparatus of the present invention, there is a limit to the thickness of the thin film obtained by a single film formation. It is preferable to form a functional thin film having a predetermined thickness by repeating and laminating.
図15に、本発明の薄膜製造装置を用いて機能性薄膜を形成する手順を示す。
(S51) 前述の撥液部301、親液部302からなる所定パターンのSAM膜300を形成した基板202を用意する(図15(1))。
FIG. 15 shows a procedure for forming a functional thin film using the thin film manufacturing apparatus of the present invention.
(S51) A
(S52) 本発明の薄膜製造装置における液体吐出塗布機構部を用いて、IJヘッド208から親液部302に機能性インク209を吐出し、塗膜401を形成する(図15(2))。このとき、機能性インク209は、親液部302で濡れ性よく広がり、撥液部301ではじかれることから、親液部302のパターンの塗膜401となる。
(S52) The
機能性インク209は、例えばPZT前駆体溶液を用いる。このPZT駆体溶液の調製には、例えば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、まず酢酸鉛の結晶水をメトキシエタノールに溶解後、脱水する。なお、酢酸鉛に関して、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、化学両論組成に対し鉛量が10モル%ほど過剰になるように秤量しておく。ついで、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、前記酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成する。
For the
このPZT前駆体溶液におけるPZT濃度は、成膜面積と前駆体塗布量の関係から適正化されるが、一度の塗布で形成する塗膜401の膜厚は100nm程度が好ましことから例えば0.1mol/lにする。図15の以降の説明では、このPZT前駆体溶液を用いた場合について説明する。
The PZT concentration in this PZT precursor solution is optimized from the relationship between the film formation area and the amount of applied precursor, but the film thickness of the
(S53) 塗膜401に対して溶媒乾燥のための第一の加熱処理(例えば、120℃加熱)を行い、ついで有機物の熱分解処理(500℃加熱)を行って第1層のPZT膜である機能性薄膜500を形成する(図15(3))。このときの膜厚は90nmとなる。
(S53) A first heat treatment (for example, heating at 120 ° C.) for solvent drying is performed on the
(S54) 引き続き、繰返し処理として、対象物をイソプロピルアルコールで洗浄した後、図14(a2)と同様の機能性溶液への浸漬処理にてSAM膜300を形成する(図15(4))。2回目以降の浸漬処理では、SAM膜300は酸化膜である機能性薄膜500上には形成されないため、フォトリソグラフィ技術によるパターン形成工程を実施せずに撥液部301、親液部302からなる所定パターンのSAM膜300が得られる。なおこのときの接触角は純水に対してSAM膜300上は92度、PZT膜上は34度であった。
(S54) Subsequently, as an iterative process, after the object is washed with isopropyl alcohol, the
(S55) 本発明の薄膜製造装置における液体吐出塗布機構部を用いて、IJヘッド208から第1層のPZT膜である機能性薄膜500上に機能性インク209を吐出し、塗膜401を形成する(図15(5))。
(S55) The
(S56) さらに、塗膜401に対して溶媒乾燥のための第二の加熱処理(例えば、120℃加熱)を行い、ついで有機物の熱分解処理を行って積層したPZT膜である機能性薄膜500を形成する(図15(6))。このときの膜厚は180nmとなる。
(S56) Further, the
ステップS54〜S56の工程をさらに4回繰り返し(計6回の処理で)、膜厚540nmの機能性薄膜500を得た後、結晶化熱処理(700℃加熱)をRTA(急速熱処理)にて行う。このとき、機能性薄膜500にクラックなどの不良は生じなかった。
Steps S54 to S56 are further repeated 4 times (by a total of 6 treatments) to obtain a functional
ついで、さらにステップS54〜S56の工程を6回繰り返し行い、結晶化熱処理(700℃加熱)を行う。このとき、機能性薄膜500の膜厚は1000nmとなり、膜にクラックなどの不良は生じなかった。
Next, steps S54 to S56 are further repeated six times to perform a crystallization heat treatment (heating at 700 ° C.). At this time, the film thickness of the functional
ここで、このパターン化したPZT膜である機能性薄膜500に上部電極(白金)を成膜し、電気特性、電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。
その結果、機能性薄膜500の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3μC/cm2、抗電界は36.5kV/cmであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を示した。
Here, an upper electrode (platinum) was formed on the functional
As a result, the functional
また、図16に、P−Eヒステリシス曲線を示す。電気−機械変換能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。その圧電定数d31は120pm/Vとなり、こちらもセラミック焼結体と同等の値であった。これは液体吐出ヘッドとして十分設計できうる特性値である。 FIG. 16 shows a PE hysteresis curve. The electromechanical conversion ability was calculated from the amount of deformation by applying an electric field measured with a laser Doppler vibrometer and adjusted by simulation. The piezoelectric constant d31 was 120 pm / V, which was also the same value as the ceramic sintered body. This is a characteristic value that can be sufficiently designed as a liquid discharge head.
なお、膜厚1000nmの機能性薄膜500について、上部電極を配置せずに、更なる厚膜化を試みた。すなわち、ステップS54〜S56の工程を6回繰り返し行い、結晶化熱処理(700℃加熱)を行う処理を10回繰り返したところ、膜厚5μmのパターン化PZT膜の機能性薄膜500がクラックなどの欠陥を伴わずに得られた。
For the functional
〔電気機械変換素子及び液体吐出ヘッド〕
つぎに、本発明に係る電気機械変換素子について説明する。
本発明に係る電気機械変換素子は、前述した本発明の薄膜製造方法により製造されてなる電気機械変換膜を有する電気機械変換素子であって、前記機能性インクは、強誘電体の前駆体インクであり、前記基板である第1の電極と、該第1の電極に対向して配置される第2の電極と、前記第1の電極及び第2の電極に狭持される前記電気機械変換膜と、を備えることを特徴とするものである。
また、前記第2の電極が本発明の薄膜製造方法により製造されてなることが好ましい。
[Electromechanical transducer and liquid discharge head]
Next, the electromechanical transducer according to the present invention will be described.
The electromechanical conversion element according to the present invention is an electromechanical conversion element having an electromechanical conversion film manufactured by the above-described thin film manufacturing method of the present invention, wherein the functional ink is a ferroelectric precursor ink. The first electrode as the substrate, the second electrode disposed opposite to the first electrode, and the electromechanical conversion sandwiched between the first electrode and the second electrode And a film.
The second electrode is preferably manufactured by the thin film manufacturing method of the present invention.
図17を参照しながら、電気機械変換素子501において下部電極500a、電気機械変換膜500b、上部電極500cすべてを本発明の薄膜製造方法で形成する場合を説明する。
(S61) まず、密着層500dを形成した振動板540を用い(密着層500dは図示省略)、前述したSAM膜のパターニング方法により、その表面に所望の撥液部301a、親液部302aからなるパターンのSAM膜300を形成する(図17(A1))。
(S62) 次に、本発明の薄膜製造装置における液体吐出塗布機構部を用いて、IJヘッド208から機能性インクである電極材料含有溶液401aを親液部302aに選択的に塗布する(図17(A2))。親液部302aに塗布された電極材料含有溶液401aは、振動板540(密着層500d)上の表面エネルギー差により親液部302aに対して濡れ拡がり、撥液部301aに対しては濡れ拡がりが抑制されるため、高解像度のパターニングを行うことができる。ここで、電極材料含有溶液401aとしては、白金微粒子をエタノール溶媒中に分散させた溶液を用いているが、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等の白金系金属微粒子を、アルコール等の有機溶媒中に分散させた金属微粒子分散液や、ゾルゲル法により金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶媒中に溶解、分散した所謂ゾルゲル液を用いてもよい。
(S63) 次に、エネルギー付与手段700を用いて、振動板540(密着層500d)上の電極材料含有溶液401aにエネルギーを加えて下部電極500aを形成する(図17(A3))。ここで、エネルギー付与手段700としては、ホットプレート、オーブンを用いているが、ハロゲンランプ、キセノンランプ、赤外線ランプ等の加熱手段や、YAGレーザ、CO2レーザ、Arレーザ等のレーザ照射手段を用いてもよい。
以上、ステップS61〜S63の工程を下部電極500aの膜が所望の膜厚となるまで複数回実施する。
Referring to FIG. 17, a case will be described in which the
(S61) First, the
(S62) Next, the electrode material-containing
(S63) Next, energy is applied to the electrode material-containing
As described above, steps S61 to S63 are performed a plurality of times until the film of the
なお、下部電極500aをスパッタリング法により形成してもよい。この場合、Tiからなる密着層500dを配置した熱酸化膜付きシリコンウェハである振動板540上に、ステップS61と同様に、所望の撥液部301a、親液部302aからなるパターンのSAM膜300を形成した後に、Pt、他の白金族元素の電極材料(ルテニウム、イリジウム、ロジウム)、白金族合金(白金−ロジウム(ロジウム濃度15wt%))のいずれかをスパッタリング成膜する。あるいは、下部電極500aとして、イリジウム酸化膜とイリジウム金属を積層してスパッタリング成膜してもよい。
Tiからなる密着層500dを形成した振動板540について、親液部302a(SAM膜300除去部位)の水の接触角は5°以下(完全濡れ)であり、撥液部301a(SAM膜配置部位)のそれは全ての試料において90.0°を示した。
Note that the
In the
(S71) 次に、振動板540の下部電極500a形成面について、前述したSAM膜のパターニング方法により、その表面に所望の撥液部301b、親液部302bからなるパターンのSAM膜300を形成する(図17(B1))。
(S72) 次に、本発明の薄膜製造装置における液体吐出塗布機構部を用いて、IJヘッド208から機能性インクであるPZT前駆体溶液401bを親液部302b(下部電極500a)に選択的に塗布する(図17(B2))。ここで、PZT前駆体溶液401bとしては、ゾルゲル法により成膜される圧電体材料、具体的には前述したような酢酸鉛、イソプロポキシドジルコニウム、イソプロポキシドチタンを出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料を用いる。
(S73) 次に、エネルギー付与手段700を用いて、下部電極500a上のPZT前駆体溶液401bにエネルギーを加えて電気機械変換膜500bを形成する(図17(B3))。
以上、ステップS71〜S73の工程を電気機械変換膜500bの薄膜が所望の膜厚となるまで複数回実施する。
(S71) Next, on the surface of the
(S72) Next, the
(S73) Next, energy is applied to the
As described above, the processes of steps S71 to S73 are performed a plurality of times until the thin film of the
(S81) 次に、振動板540の下部電極500a及び電気機械変換膜500b形成面について、前述したSAM膜のパターニング方法により、その表面に所望の撥液部301c、親液部302cからなるパターンのSAM膜300を形成する(図17(C1))。
なお、上部電極500cは短絡を防止するために電気機械変換膜500bのパターン領域よりも小さい領域に電極材料含有溶液401cを塗布する必要がある。そこで、図17(C1)に示すように、電気機械変換膜500b上にも撥液部301cを形成している。
(S82) 次に、本発明の薄膜製造装置における液体吐出塗布機構部を用いて、IJヘッド208から機能性インクである電極材料含有溶液401cを親液部302c(電気機械変換膜500b)に選択的に塗布する(図17(C2))。ここでは、電極材料含有溶液401cと前述した電極材料含有溶液401aは同一の材料である。
(S83) 次に、エネルギー付与手段700を用いて、電気機械変換膜500b上の電極材料含有溶液401cにエネルギー(乾燥処理のための120℃加熱と焼結のための250℃加熱)を加えて上部電極500cを形成する(図17(C3))。
以上、ステップS81〜S83の工程を上部電極500cの膜が所望の膜厚となるまで複数回実施する。例えば、Ptからなる上部電極500cの膜厚は0.5μmで、比抵抗は5×10−6Ω・cmである。
(S81) Next, on the surface of the
The
(S82) Next, the electrode material-containing
(S83) Next, energy (120 ° C. heating for drying and 250 ° C. heating for sintering) is added to the electrode material-containing
As described above, the processes of steps S81 to S83 are performed a plurality of times until the film of the
以上のように、本発明の薄膜製造方法を用いたステップS61〜S63,S71〜S73,S81〜S83の工程により、振動板540(密着層500d)上に下部電極500aと、電気機械変換膜500bと、上部電極500cからなる電気機械変換素子501をパターン不良を発生させることなく精度よく形成することが可能となり、引いては安定した吐出性能を有する液体吐出ヘッド1を得ることができる。
As described above, the
つぎに、本発明に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。
本発明の液体吐出ヘッドは、前述した本発明の電気機械変換素子501を備えることを特徴とする。
Next, the configuration of the liquid discharge head according to the present invention will be described.
The liquid discharge head according to the present invention includes the
図18に、本発明に係る液体吐出ヘッドの一部を断面にて示した分解斜視図を示す。また、本発明に係る液体吐出ヘッドの幅方向の断面概略構成は、図2に示す通りである。なお、図2では単一の圧力室506を示しているが、液体吐出ヘッドは図19に示すとおり圧力室基板503の隔壁で区画されることにより、左右方向に圧力室506が配列する構造をとる。
FIG. 18 is an exploded perspective view showing a part of the liquid discharge head according to the present invention in cross section. A schematic cross-sectional configuration in the width direction of the liquid discharge head according to the present invention is as shown in FIG. 2 shows a
液体吐出ヘッド1は、インクを吐出する液滴吐出孔であるノズル505を有するノズル板504と、複数の圧力室506、振動板540、電気機械変換素子501が形成され、電気機械変換膜500bの駆動のための駆動回路が搭載されたフレキシブルプリント基板(FPC)573を有する圧力室基板503と、電気機械変換素子保護空間574を配した保持基板572との3枚の基板を重ねた積層構造となっている。
The
圧力室基板503は、Si基板上に積層膜により振動板540が形成されている。本実施形態における振動板540はSOI基板を用いてSi基板の片側面にシリコン酸化膜、シリコン活性膜、シリコン酸化膜を堆積させたものである。また、その上に複数の電気機械変換素子501を設けており、更に該複数の電気機械変換素子501それぞれに対応する圧力室506、該圧力室506に液体を供給する為の流体抵抗部(供給路)532、共通液室533を形成している。
In the
ノズル板504は、例えばニッケル高速電鋳法を用いて厚さ20μmに形成したニッケル基板であり、圧力室基板503の面部に圧力室506それぞれに対応して連通するように設けられたノズル505を有する。
The
保持基板572は、電気機械変換素子501の保護及び変位を妨げないための電気機械変換素子保護空間574と液滴であるインクが外部から共通液室533へ供給するためのインク供給部533aを形成した基板である。
The holding
液体吐出ヘッド1は、図2に示すように、Si基板上に形成された振動板540と、該振動板540上に、下部電極500a,電気機械変換膜500b,上部電極500cがこの順番で積層されてなる電気機械変換素子501と、を備え、電気機械変換素子501及び振動板540からなる圧電アクチュエータを用いてノズル板504の基板面部に設けた液滴吐出孔であるノズル505から液滴を吐出させるものである。
As shown in FIG. 2, the
ここで、ノズル板504は、SUS、Ni、Siなどの金属または無機材料、PI(ポリイミド)などの樹脂材料にノズル505を形成して構成され、図示していない接着剤または陽極接合等の他の接合手段によって圧力室基板503に接合されるものである。
Here, the
圧力室基板503は、必要とされる機械的強度および化学的耐性を備えた加工しやすい材料であるSi基板で作られる。Si基板を用いる場合、フォトリソグラフィとエッチング法による加工に、いわゆる半導体プロセスを用いることができるため、液室配列の高集積化が可能となる。
The
振動板540は、電気機械変換素子501による変位の範囲内で弾性変形する材質とすることが必要である。材質としては、無機材料、有機材料の薄膜が用いられるが、電極との密着性を考慮すると無機材料を用いることが好ましい。無機材料としては、金属、合金、半導体、誘電体等の任意の材料を用いることができる。材料は加工方法から最適のものを選定することができ、圧力室基板503にSiを用いた場合は、SiO2,Si3N4,他結晶Siを用いることが好ましい。一般にはSiの熱酸化膜とするケースが多い。また、これらの積層膜とすることで、残留応力を相殺する構造をとることができる。また、SiO2,Si3N4等の誘電体材料は化学的に安定であり、吐出するインクに接触しても、インクによる腐食による振動板540の破壊を防止することができる。さらに、これらの薄膜の成膜技術は半導体プロセスで確立された技術であるため、安定した振動板540を得ることができる。
The
振動板540の厚さは、材料の剛性や形成方法から最適化することが好ましいが、前述の無機材料(SiO2,Si3N4)を用いた場合、1〜5μmの範囲とすることが好ましい。例えばまず、Si基板上に振動板540となる絶縁物を形成し、その後圧力室506などの液室となる空洞をエッチングにより形成後、必要な厚みに研磨される。エッチングの際は絶縁物層がストップ層となる。
The thickness of the
下部電極500aは、複数の電気機械変換素子501における共通電極であり、共通電極配線(不図示)と接続している。
The
また、下部電極500aは、例えば電気機械変換膜500bの配向性を制御するために(111)結晶配向した薄膜であり、下部電極500aを構成する材料としては、任意の導電性材料を用いることができる。導電材料としては、金属、合金、導電性化合物等を用いることができるが、電気機械変換膜500bの成膜方法により耐熱性の高い電極材料を用いることが好ましい。通常電気機械変換膜500bは成膜後に結晶化させるプロセスが必要であり、一般的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた場合、結晶化プロセス温度は500℃〜800℃となることが一般的である。そのため、電気機械変換素子に用いられる材料は高融点であると同時に高温で隣接する振動板540や圧電材料と化合物を形成しない安定性の高い材料であることが必要である。これらの材料としてはPt,Ir,Pd,Au等の反応性が低く高融点である金属やその合金を用いることが好ましい。このうち、一般的に電気機械変換膜500bを構成する代表的材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)と格子定数が近く酸化しにくい貴金属であるPtが最も多く使用されている。また、高温安定性の高い化合物導電材料を用いても良い。これらの化合物導電材料としては、任意の複合酸化物を用いることができる。例えば、IrO2、RuO2、SrO、SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3、(SrxCa1−x)RuO3等の白金族金属含有導電性酸化物やLaNiO3などが挙げられる。
The
下部電極500aの膜厚は電極に必要とされる電気抵抗により任意に設定することができるが、100nmから1μmの範囲が好ましい。
The film thickness of the
電気機械変換膜500bを構成する材料としては、ペロブスカイト型結晶構造を有し化学式ABO3で示すことのできる複合酸化物を用いることができる。ここで、Aサイトの元素としてはPb、Ba、Nb、La、Li、Sr、Bi、NaおよびKなどである。また、Bサイトの元素としてはCd、Fe、Ti、Ta、Mg、Mo、Ni、Nb、Zr、Zn、WおよびYbなどである。この中でも、Aには鉛(Pb)、Bにジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)の混合を適用したチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が多く用いられている。この材料は、温度特性,圧電特性に優れているため、高信頼性、高安定性の電気機械変換素子501を得ることができる。PZTの他には、鉛を使用しないという環境的な利点があり変位量が大きく原料が安価であり使用実績が多いものとしては、チタン酸バリウム(BaTiO3)を用いることができる。
As a material constituting the
電気機械変換膜500bの膜厚は所望の特性により最適値を設定することができるが、0.1μmから5μmの範囲とすることが好ましい。
The film thickness of the
さらに電気機械変換膜500bは圧力室506ごとに個別に形成される必要があり、個別液室幅よりも圧電体幅を狭くする必要がある。それにより、剛性の高い電気機械変換膜500bの膜が形成されない部分が圧力室506上に形成され、振動変位する領域を確保することができる。そのため、前述した電気機械変換膜500bのパターニング(圧力室506ごとの分離)が重要である。
Furthermore, the
上部電極500cは、圧力室506ごとに形成される電気機械変換膜500bの上方に形成される。また上部電極500cは、複数の電気機械変換素子501ごとに設けられる個別電極であり、個別電極配線(不図示)と接続している。該個別電極配線は複数の電気機械変換素子501それぞれの上部電極500cと個別に導通しており、駆動信号入力部(不図示)から個別電極配線を通じてそれぞれの電気機械変換素子501に駆動信号が入力される。
The
上部電極500cを構成する材料としては、下部電極500aの場合と同じ材料群のいずれかを用いることができる。すなわち、上部電極500cの材料は任意の導電性材料を用いることが可能である。導電材料としては、金属、合金、導電性化合物等が挙げられるが、金属または合金を用いることが好ましい。その際、電気機械変換膜500bとの密着性を考慮した材料を選定する必要がある。また、圧電材料に含まれるPb等の材料と反応・相互拡散し合金を形成する材料は好ましくない。さらに、圧電材料に含まれる酸素等と反応する材料も好ましくない。従って、反応性の低い安定した材料を用いるのが好ましい。これらの材料としては、Au,Pt,Ir,Pdまたはこれらの合金,固溶体を例として挙げられる。
As a material constituting the
また、上部電極500cの幅は電気機械変換膜500bの幅より狭くすることが好ましい。電気機械変換膜500b端部まで上部電極500cを形成した場合、電気機械変換膜500b端部の電界集中により、下部電極500a−上部電極500c間の放電現象に繋がる可能性があり、電気機械変換素子501の信頼性を著しく損なう可能性がある。
The width of the
〔インクジェットプリンタ等〕
ところで、前述した本発明の液体吐出ヘッドに対してインクなどの液体を供給する液体タンクを一体化して液体カートリッジとしてもよい。
図20に、その液体カートリッジであるインクカートリッジの外観図を示す。このインクカートリッジ80は、ノズル505等を有する前述した本発明に係る液体吐出ヘッド1と、この液体吐出ヘッド1に対してインクを供給する液体タンクであるインクタンク82とを一体化したものである。このようにインクタンク82が一体型の液体吐出ヘッド1の場合、アクチュエータ部を高精度化、高密度化、および高信頼化することで、インクカートリッジ80の歩留まりや信頼性を向上することができ、インクカートリッジ80の低コスト化を図ることができる。
[Inkjet printers, etc.]
By the way, a liquid tank that supplies a liquid such as ink to the liquid discharge head of the present invention may be integrated into a liquid cartridge.
FIG. 20 is an external view of an ink cartridge that is the liquid cartridge. The
つぎに、本発明に係るインクジェットプリンタについて説明する。
本発明に係るインクジェットプリンタは、液滴を吐出させて画像を形成する画像形成装置であって、前述した本発明の液体吐出ヘッド又は図20の一体型液体吐出ヘッドユニットである液体カートリッジを備えていることを特徴とする。
ここでは、図21及び図22を用いて、本発明の液体吐出ヘッド1を搭載した画像形成装置であるインクジェットプリンタを実施例として説明する。なお、図21は同記録装置の斜視説明図、図22は同記録装置の機構部の側面説明図である。
Next, the ink jet printer according to the present invention will be described.
An ink jet printer according to the present invention is an image forming apparatus that forms an image by ejecting liquid droplets, and includes the above-described liquid discharge head of the present invention or the liquid cartridge that is the integrated liquid discharge head unit of FIG. It is characterized by being.
Here, an ink jet printer which is an image forming apparatus equipped with the
このインクジェットプリンタは、記録装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ98、キャリッジ98に搭載した本発明の液体吐出ヘッド(記録ヘッド)1、液体吐出ヘッド1へインクを供給するインクカートリッジ99等で構成される印字機構部91等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙92を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)93を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙92を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ94を有し、給紙カセット93あるいは手差しトレイ94から給送される用紙92を取り込み、印字機構部91によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ95に排紙する。
The ink jet printer includes a
印字機構部91は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド96と従ガイドロッド97とキャリッジ98を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ98には、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンダ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する液体吐出ヘッド1を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ98には液体吐出ヘッド1に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ99を交換可能に装着している。
The
インクカートリッジ99は、上方に大気と連通する大気口、下方には液体吐出ヘッド1へインクを供給する供給口が設けられ、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッド1へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液体吐出ヘッド1としては各色の液体吐出ヘッド1を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個の液出ヘッドでもよい。
The
ここで、キャリッジ98は後方側(用紙搬送下流側)を主ガイドロッド96に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送上流側)を従ガイドロッド97に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ98を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ101で回転駆動される駆動プーリ102と従動プーリ103との間にタイミングベルト104を張装し、このタイミングベルト104をキャリッジ98に固定しており、主走査モータ101の正逆回転によりキャリッジ98が往復駆動される。
Here, the
一方、給紙カセット93にセットした用紙92を液体吐出ヘッド1に下方側に搬送するために、給紙カセット93から用紙92を分離給装する給紙ローラ105及びフリクションパッド106と、用紙92を案内するガイド部材107と、給紙された用紙92を反転させて搬送する搬送ローラ108と、この搬送ローラ108の周面に押し付けられる搬送コロ109及び搬送ローラ108からの用紙92の送り出し角度を規定する先端コロ110とを有する。搬送ローラ108は副走査モータによってギア列を介して回転駆動される。
On the other hand, in order to convey the
そして、キャリッジ98の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ108から送り出された用紙92を液体吐出ヘッド1の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材111を設けている。この印写受け部材111の用紙搬送方向下流側には、用紙92を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ112と拍車113を設け、さらに用紙92を排紙トレイ95に送り出す排紙ローラ114と拍車115と排紙経路を形成するガイド部材116,117とを配設している。
A printing receiving member 111 that is a sheet guide member is provided to guide the
このインクジェットプリンタ90による記録時には、キャリッジ98を移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド1を駆動することにより、停止している用紙92にインクを吐出して1行分を記録し、その後、用紙92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用紙92の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙92を排紙する。
During recording by the
また、キャリッジ98の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液体吐出ヘッド1の吐出不良を回復するための回復装置118を配置している。回復装置118はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ98は印字待機中にはこの回復装置118側に移動されてキャップ手段で液体吐出ヘッド1をキャッピングして吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係ないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出状態を維持する。
Further, a
また、吐出不良が発生した場合等には、キャップ手段で液体吐出ヘッド1の吐出出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともの気泡等を吸出し、吐出口面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吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)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。
Further, when a discharge failure occurs, the discharge outlet (nozzle) of the
このように、このインクジェットプリンタ90においては本発明の液体吐出ヘッド1を搭載しているので、電気機械変換膜のパターン不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。なお、ここではインクジェットプリンタ90に液体吐出ヘッド1を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液体吐出ヘッド1を適用してもよい。
As described above, since the
なお、これまで本発明を図面に示した実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described with the embodiments shown in the drawings, the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings, and other embodiments, additions, modifications, deletions, etc. Can be changed within the range that can be conceived, and any embodiment is included in the scope of the present invention as long as the effects and advantages of the present invention are exhibited.
1 液体吐出ヘッド
80,99 インクカートリッジ
82 インクタンク
90 インクジェットプリンタ
91 印字機構部
92 用紙
93 給紙カセット
94 手差しトレイ
95 排紙トレイ
96 主ガイドロッド
97 従ガイドロッド
98 キャリッジ
101 主走査モータ
102 駆動プーリ
103 従動プーリ
104 タイミングベルト
105 給紙ローラ
106 フリクションパッド
107,116,117 ガイド部材
108 搬送ローラ
109,112 搬送コロ
110 先端コロ
111 印写受け部材
113,115 拍車
114 排紙ローラ
118 回復装置
200 架台
201 Y軸駆動手段
202 基板
203 ステージ
204 X軸支持部材
205 X軸駆動手段
206 ヘッドベース
208 IJヘッド
209 機能性インク
210 インク供給用パイプ
211 Z軸駆動手段
212 ワイピングブレード
213 支持部材
214 ノズル接触部
214a,214a’ 溝部
215 溶媒供給チューブ
300 SAM膜
300m フォトマスク
300p フォトレジスト
300r マスク層
301,301a,301b,301c 撥液部
302,302a,302b,302c 親液部
401 塗膜
401a,401c 電極材料含有溶液
401b PZT前駆体溶液
500 機能性薄膜
500a 下部電極
500b 電気機械変換膜
500c 上部電極
500d 密着層
501 電気機械変換素子
503 圧力室基板
503a 隔壁部
504 ノズル板(ヘッド基板面)
505 ノズル
506 圧力室
532 流体抵抗部
533 共通液室
533a インク供給部
540 振動板
572 保持基板
573 フレキシブルプリント基板(FPC)
574 電気機械変換素子保護空間
700 エネルギー付与手段
DESCRIPTION OF
505
574 Electromechanical
Claims (8)
前記基板上の機能性インクを加熱し結晶化させて機能性薄膜とする加熱機構部と、を備え、
前記液体吐出塗布機構部におけるステージは、前記液体吐出ヘッドの前記機能性インクを塗布するときの走査行路上に前記ノズルと摺擦するワイピングブレードを有し、
前記ワイピングブレードは、前記ステージ上の前記液体吐出ヘッドの走査行路における走査方向の両端部側に配置されるものであって、
少なくとも前記基板の前記走査方向に直交する方向の幅と同じ長さをもつ平板形状のブレードであることを特徴とする薄膜製造装置。 A stage for holding the substrate; and a liquid discharge head that is disposed opposite to the stage and discharges functional ink from the nozzles by an ink jet method to apply the functional ink onto the substrate. The stage and / or the liquid discharge head A liquid discharge application mechanism that discharges functional ink onto the substrate and applies it in an arbitrary pattern;
A heating mechanism unit that heats and crystallizes the functional ink on the substrate to form a functional thin film,
The stage in the liquid discharge application mechanism unit has a wiping blade that rubs against the nozzle on a scanning path when the functional ink of the liquid discharge head is applied.
The wiping blade is disposed on both end sides in the scanning direction in the scanning path of the liquid ejection head on the stage,
A thin-film manufacturing apparatus, wherein the blade is a flat blade having at least the same length as the width in the direction orthogonal to the scanning direction of the substrate.
前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドを相対的に走査させながら、前記液体吐出ヘッドから機能性インクを吐出させて前記基板上に任意のパターンで塗布するインクジェット塗布工程と、
前記基板上の機能性インクを加熱し結晶化させて機能性薄膜とする加熱工程と、を備え、
前記インクジェット塗布工程は、前記ステージ及び/又は液体吐出ヘッドの走査ごとの走査開始時及び/又は走査終了時に、前記ワイピングブレードが前記ノズルと摺擦するワイピング処理を有することを特徴とする薄膜製造方法。 A thin film manufacturing method for forming a functional thin film on a substrate using the thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
An inkjet coating process in which functional ink is ejected from the liquid ejection head and coated in an arbitrary pattern on the substrate while relatively scanning the stage and / or the liquid ejection head;
Heating the functional ink on the substrate to crystallize it into a functional thin film,
The inkjet coating step includes a wiping process in which the wiping blade rubs against the nozzle at the start of scanning and / or at the end of scanning for each scanning of the stage and / or liquid discharge head. .
前記電気機械変換膜は請求項4または5に記載の薄膜製造方法により製造され、
前記機能性インクは、強誘電体の前駆体インクであり、
前記基板である第1の電極上に、該第1の電極に対向して配置される第2の電極と、前記第1の電極及び第2の電極に狭持される前記電気機械変換膜と、を形成することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 A manufacturing method of an electro-mechanical transducer having electrical transducer layer,
The electromechanical conversion film is manufactured by the thin film manufacturing method according to claim 4 or 5,
The functional ink is a ferroelectric precursor ink;
A second electrode disposed opposite to the first electrode on the first electrode as the substrate; and the electromechanical conversion film sandwiched between the first electrode and the second electrode; A method for manufacturing an electromechanical transducer, characterized in that
前記電気機械変換素子が請求項6または7に記載の電気機械変換素子の製造方法により製造されることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
A method of manufacturing a liquid discharge head which Ru provided with electrical transducer,
A method for manufacturing a liquid discharge head , wherein the electromechanical conversion element is manufactured by the method for manufacturing an electromechanical conversion element according to claim 6 .
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