JPWO2015182228A1 - Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, inkjet head, and inkjet printer - Google Patents
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Abstract
圧電アクチュエータ(21a)は、基板(22)上に、下部電極(24)、圧電薄膜(25)および上部電極(26)をこの順で有している。圧電薄膜(25)は、複数の結晶を含む多結晶膜(25p)と、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜(25m)とを有している。変質膜(25m)は、下部電極(24)上の圧電薄膜(25)において、上部電極(26)の外形からはみ出したテラス領域(R1)に少なくとも形成されており、かつ、テラス領域(R1)において基板(22)とは反対側の表面に露出している。The piezoelectric actuator (21a) has a lower electrode (24), a piezoelectric thin film (25), and an upper electrode (26) in this order on a substrate (22). The piezoelectric thin film (25) includes a polycrystalline film (25p) including a plurality of crystals and a modified film (25m) in which the grain boundary has disappeared due to integral modification of the plurality of crystals. The altered film (25m) is at least formed in the terrace region (R1) protruding from the outer shape of the upper electrode (26) in the piezoelectric thin film (25) on the lower electrode (24), and the terrace region (R1). Are exposed on the surface opposite to the substrate (22).
Description
本発明は、基板上に、下部電極、圧電薄膜および上部電極を有する圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータの製造方法と、インクジェットヘッドと、インクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode on a substrate, a method for manufacturing the piezoelectric actuator, an inkjet head, and an inkjet printer.
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、シリコン(Si)基板を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子が増加している。MEMS素子に圧電体を応用するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。圧電体を薄膜化することで、成膜、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現できる。また、大面積のウェハに素子を一括加工できるため、コストを低減できる。さらに、機械電気の変換効率が向上し、駆動素子の特性や、センサの感度が向上する等の利点がある。 Conventionally, piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) have been used as electromechanical conversion elements such as drive elements and sensors. In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements using a silicon (Si) substrate are increasing in response to demands for downsizing, high density, and low cost of devices. In order to apply a piezoelectric body to a MEMS element, it is desirable to make the piezoelectric body thin. By reducing the thickness of the piezoelectric body, high-precision processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and miniaturization and high density can be realized. Further, since the elements can be collectively processed on a large-area wafer, the cost can be reduced. Furthermore, there is an advantage that the conversion efficiency of mechanical electricity is improved and the characteristics of the drive element and the sensitivity of the sensor are improved.
このようなMEMS素子を用いたデバイスの応用例として、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタでは、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを、用紙や布などの記録メディアに対して相対的に移動させながらインクの吐出を制御することで、二次元の画像が記録メディアに形成される。 As an application example of a device using such a MEMS element, an ink jet printer is known. In an inkjet printer, a two-dimensional image is recorded on a recording medium by controlling the ejection of ink while moving an inkjet head having a plurality of channels for ejecting liquid ink relative to the recording medium such as paper or cloth. Formed.
インクの吐出は、圧力式のアクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形など)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。特に、高解像度(小液滴で良い)で小型、低コストのプリンタを実現するには、薄膜の圧電体を用いたインクジェットヘッドの利用が適している。 Ink can be ejected using a pressure actuator (piezoelectric, electrostatic, thermal deformation, etc.) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years. In particular, in order to realize a small-sized and low-cost printer with high resolution (small droplets may be used), it is suitable to use an inkjet head using a thin film piezoelectric body.
さらに近年、インクジェットプリンタには、より高速に高精細な画像を形成することが求められている。そのためには、インクジェットヘッドに対して、10cp(0.01Pa・s)以上の高粘度のインクを吐出する性能が求められる。高粘度のインクの吐出を実現するためには、圧電薄膜(強誘電体薄膜)に高い圧電特性(圧電定数d31)と変位発生力(膜厚1μm以上)が必要となる。In recent years, inkjet printers are required to form high-definition images at higher speeds. For this purpose, the ink jet head is required to be capable of ejecting ink having a high viscosity of 10 cp (0.01 Pa · s) or more. In order to realize high-viscosity ink ejection, the piezoelectric thin film (ferroelectric thin film) requires high piezoelectric characteristics (piezoelectric constant d 31 ) and displacement generation force (film thickness of 1 μm or more).
一方、PZTなどの圧電体をSiなどの基板上に成膜する方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。これらの製法により得られる薄膜の膜厚の上限は10μm程度である。それ以上の膜厚になると、クラックや膜剥がれが生じてしまい、所望の特性が得られない。 On the other hand, as a method of forming a piezoelectric material such as PZT on a substrate such as Si, a chemical film forming method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, a sol gel The growth method in the liquid phase such as the method is known. The upper limit of the thickness of the thin film obtained by these manufacturing methods is about 10 μm. If the film thickness exceeds that, cracks and film peeling occur, and desired characteristics cannot be obtained.
成膜されたPZTは、結晶がペロブスカイト構造となるときに良好な圧電効果を発揮する。なお、ペロブスカイト構造とは、理想的には立方晶系の単位格子を有し、立方晶の各頂点に配置される金属A、体心に配置される金属B、立方晶の各面心に配置される酸素Oとから構成されるABO3型の結晶構造である。ペロブスカイト構造の結晶には、立方晶が歪んだ正方晶、斜方晶、菱面体晶等も含まれるものとする。The deposited PZT exhibits a good piezoelectric effect when the crystal has a perovskite structure. The perovskite structure ideally has a cubic unit cell, and is arranged at each vertex of the cubic A, metal B arranged at the body center, and arranged at each face center of the cubic crystal. It is an ABO 3 type crystal structure composed of oxygen O. Crystals having a perovskite structure include tetragonal crystals, orthorhombic crystals, rhombohedral crystals and the like in which cubic crystals are distorted.
Si基板上の電極の上に成膜されたPZTの薄膜は、電極の結晶との格子定数の違いから、複数の結晶の集合体からなる多結晶となる。この多結晶は、製法にもよるが、粒径が数百nmの粒状の結晶(粒状結晶)が寄り集まって構成されたり、幅は数百nmで膜厚方向には1つの細長い結晶粒である柱状結晶が寄り集まって構成される。 The PZT thin film formed on the electrode on the Si substrate becomes a polycrystal composed of an aggregate of a plurality of crystals due to the difference in lattice constant from the crystal of the electrode. Depending on the production method, this polycrystal is composed of granular crystals (granular crystals) with a particle size of several hundreds of nanometers, or a width of several hundreds of nanometers and one elongated crystal grain in the film thickness direction. A certain columnar crystal is gathered together.
ところで、基板上に、下部電極、圧電薄膜、上部電極を有する圧電式のアクチュエータでは、圧電薄膜の側面(端面)が露出していると、大気中の水分が圧電薄膜の上記側面から内部に取り込まれる。このため、圧電薄膜の端部では、上記水分によって絶縁破壊が生じてリーク電流が発生しやすくなる。つまり、圧電薄膜の側面と上部電極の側面とを面一(同一平面上)に構成した場合は、上部電極と下部電極との間に電界を印加したときに、圧電薄膜の側面を介して上部電極と下部電極との間でリーク電流(側面リーク)が発生しやすくなる。 By the way, in a piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode on a substrate, when the side surface (end surface) of the piezoelectric thin film is exposed, moisture in the atmosphere is taken into the inside from the side surface of the piezoelectric thin film. It is. For this reason, at the end of the piezoelectric thin film, dielectric breakdown occurs due to the moisture, and a leak current is likely to occur. In other words, when the side surface of the piezoelectric thin film and the side surface of the upper electrode are configured to be flush with each other (on the same plane), when the electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode, Leakage current (side leakage) is likely to occur between the electrode and the lower electrode.
そこで、特許文献1では、下部電極上に、圧電薄膜および上部電極を覆うように絶縁体層を形成している。絶縁体層により、圧電薄膜の側面が大気と遮断されるため、大気中の水分の取り込みによる側面リークの発生を防止することができる。しかし、絶縁体層で圧電薄膜を覆う構成では、絶縁体層によって圧電薄膜の変位(伸縮)が阻害されるため、圧電特性が低下する。 Therefore, in Patent Document 1, an insulator layer is formed on the lower electrode so as to cover the piezoelectric thin film and the upper electrode. Since the side surface of the piezoelectric thin film is shielded from the atmosphere by the insulator layer, it is possible to prevent the occurrence of side leakage due to the intake of moisture in the atmosphere. However, in the configuration in which the piezoelectric thin film is covered with the insulator layer, the piezoelectric layer is deteriorated because displacement (stretching) of the piezoelectric thin film is inhibited by the insulator layer.
一方、特許文献2では、圧電薄膜の表面を研磨し、平滑化することで、上部電極と下部電極との間で電界が集中する箇所(圧電薄膜の表面の凹部領域)を無くし、これによって、圧電特性を低下させずに耐電圧性を向上させるようにしている。
On the other hand, in
また、特許文献3では、圧電薄膜を、粒径の異なる結晶が混在した多結晶体で構成している。大粒径の結晶に小粒径の結晶を混在させることにより、大粒径の結晶間の粒界に隙間が形成されることを防止し、圧電薄膜の絶縁性および圧電特性を向上させるようにしている。 Moreover, in patent document 3, the piezoelectric thin film is comprised with the polycrystal body in which the crystal | crystallization from which a particle size differs was mixed. By mixing small crystal grains with large crystal grains, gaps are prevented from forming at the grain boundaries between the large crystal grains, and the insulation and piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film are improved. ing.
さらに、特許文献4では、圧電薄膜の粒界が露出する領域に低誘電性物質を形成することで、圧電薄膜の粒界を介して流れるリーク電流を減らし、耐電圧性を向上させるようにしている。なお、上記の低誘電性物質は、圧電薄膜の焼成による結晶成長過程で生じた余剰組成物が、圧電薄膜の結晶粒が成長するにしたがって粒界へと追いやられ、上記粒界を介して最終的に表層面に押し出されたものと考えられている。 Further, in Patent Document 4, by forming a low dielectric material in a region where the grain boundary of the piezoelectric thin film is exposed, leakage current flowing through the grain boundary of the piezoelectric thin film is reduced and voltage resistance is improved. Yes. In addition, the low dielectric material is such that the surplus composition generated in the crystal growth process due to the firing of the piezoelectric thin film is driven to the grain boundary as the crystal grain of the piezoelectric thin film grows, and is finally passed through the grain boundary. It is thought that it was pushed to the surface layer.
ところが、特許文献2〜4は、いずれも、圧電薄膜の側面が露出し、かつ、圧電薄膜の側面と上部電極の側面とが面一(同一平面上)となっている構成である。この構成では、前述のように、取り込んだ大気中の水分に起因して側面リークが発生する。
However, in each of
また、側面リークの発生を抑えるために、例えば、下部電極上で圧電薄膜を上部電極から張り出すように形成する構成が考えられる(圧電薄膜の側面に電界がかからないため)。しかし、この場合は、圧電薄膜の張り出し部分の表面(下部電極とは反対側の表面)から、大気中の水分が内部に取り込まれるため、上部電極と下部電極との間に電界がかかったときに、上部電極の端部と下部電極との間で圧電薄膜の絶縁破壊が起こりやすくなり、この部分でリーク電流が発生しやすくなる。 In order to suppress the occurrence of side surface leakage, for example, a configuration in which a piezoelectric thin film is formed on the lower electrode so as to protrude from the upper electrode (because an electric field is not applied to the side surface of the piezoelectric thin film) is conceivable. However, in this case, moisture in the atmosphere is taken in from the surface of the overhanging portion of the piezoelectric thin film (the surface opposite to the lower electrode), so when an electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode In addition, the dielectric breakdown of the piezoelectric thin film is likely to occur between the end portion of the upper electrode and the lower electrode, and a leak current is likely to occur in this portion.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧電薄膜の変位を阻害して圧電特性を低下させることなく、圧電薄膜の絶縁破壊およびリーク電流(側面リークを含む)の発生を抑えて、耐電圧性を向上させることができる圧電アクチュエータおよびその製造方法と、その圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、インクジェットプリンタとを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and its purpose is to prevent dielectric breakdown and leakage current (side leakage) of the piezoelectric thin film without impairing the displacement of the piezoelectric thin film and deteriorating the piezoelectric characteristics. The present invention provides a piezoelectric actuator and a method for manufacturing the same, an ink jet head provided with the piezoelectric actuator, and an ink jet printer.
本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、基板上に、下部電極、圧電薄膜および上部電極をこの順で有する圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜は、複数の結晶を含む多結晶膜と、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜とを有しており、前記変質膜は、前記下部電極上の前記圧電薄膜において、前記上部電極の外形からはみ出した領域に少なくとも形成されており、かつ、前記領域において前記基板とは反対側の表面に露出している。 A piezoelectric actuator according to one aspect of the present invention is a piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order on a substrate, wherein the piezoelectric thin film includes a polycrystalline film including a plurality of crystals, and a plurality of piezoelectric films. And an altered film in which grain boundaries have disappeared due to integral alteration of the crystal, and the altered film is formed at least in a region protruding from the outer shape of the upper electrode in the piezoelectric thin film on the lower electrode. And is exposed on the surface opposite to the substrate in the region.
本発明の他の側面に係る圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、複数の結晶を含む多結晶膜を成膜して圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜において、上部電極の外形からはみ出す領域が形成されるように、前記圧電薄膜上に前記上部電極を形成する工程と、前記領域の前記基板とは反対側の表面を加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を、前記領域の少なくとも前記表面に形成する工程とを有している。 A method of manufacturing a piezoelectric actuator according to another aspect of the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, and forming a piezoelectric thin film by forming a polycrystalline film including a plurality of crystals on the lower electrode. A step of forming the upper electrode on the piezoelectric thin film so that a region protruding from the outer shape of the upper electrode is formed in the piezoelectric thin film; and heating a surface of the region opposite to the substrate. A plurality of crystals contained in the polycrystalline film are integrally modified to form a modified film in which the grain boundaries disappear, on at least the surface of the region.
上記の構成および製造方法によれば、圧電薄膜の変位を阻害して圧電特性を低下させることなく、絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えて、耐電圧性を向上させることができる。 According to the configuration and the manufacturing method described above, the breakdown voltage and the generation of leakage current can be suppressed and the withstand voltage can be improved without inhibiting the displacement of the piezoelectric thin film and deteriorating the piezoelectric characteristics.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をA〜Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present specification, when the numerical range is expressed as A to B, the numerical value range includes the values of the lower limit A and the upper limit B.
〔インクジェットプリンタの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。[Configuration of inkjet printer]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an inkjet printer 1 according to the present embodiment. The ink jet printer 1 is a so-called line head type ink jet recording apparatus in which an
インクジェットプリンタ1は、上記のインクジェットヘッド部2と、繰り出しロール3と、巻き取りロール4と、2つのバックロール5・5と、中間タンク6と、送液ポンプ7と、貯留タンク8と、定着機構9とを備えている。
The ink jet printer 1 includes an ink
インクジェットヘッド部2は、インクジェットヘッド21から記録媒体Pに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成(描画)を行うものであり、一方のバックロール5の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド21の詳細については後述する。
The ink
繰り出しロール3、巻き取りロール4および各バックロール5は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール3は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Pを、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール3は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Pを図1のX方向へ繰り出して搬送する。
The feed roll 3, the take-up roll 4 and the back rolls 5 are members each having a cylindrical shape that can rotate about its axis. The feeding roll 3 is a roll that feeds the long recording medium P wound around the circumferential surface toward the position facing the
巻き取りロール4は、繰り出しロール3より繰り出されて、インクジェットヘッド部2によってインクが吐出された記録媒体Pを周面に巻き取る。
The take-up roll 4 is taken out from the take-out roll 3 and takes up the recording medium P on which the ink is ejected by the
各バックロール5は、繰り出しロール3と巻き取りロール4との間に配設されている。記録媒体Pの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール5は、繰り出しロール3によって繰り出された記録媒体Pを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール5は、インクジェットヘッド部2との対向位置から巻き取りロール4に向けて、記録媒体Pを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
Each
中間タンク6は、貯留タンク8より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク6は、複数のインクチューブ10と接続され、各インクジェットヘッド21におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド21にインクを供給する。
The intermediate tank 6 temporarily stores the ink supplied from the storage tank 8. The intermediate tank 6 is connected to a plurality of
送液ポンプ7は、貯留タンク8に貯留されたインクを中間タンク6に供給するものであり、供給管11の途中に配設されている。貯留タンク8に貯留されたインクは、送液ポンプ7によって汲み上げられ、供給管11を介して中間タンク6に供給される。 The liquid feed pump 7 supplies the ink stored in the storage tank 8 to the intermediate tank 6 and is disposed in the middle of the supply pipe 11. The ink stored in the storage tank 8 is pumped up by the liquid feed pump 7 and supplied to the intermediate tank 6 through the supply pipe 11.
定着機構9は、インクジェットヘッド部2によって記録媒体Pに吐出されたインクを当該記録媒体Pに定着させる。この定着機構9は、吐出されたインクを記録媒体Pに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにUV(紫外線)を照射することによりインクを硬化させるためのUVランプ等で構成されている。
The fixing mechanism 9 fixes the ink ejected to the recording medium P by the
上記の構成において、繰り出しロール3から繰り出される記録媒体Pは、バックロール5により、インクジェットヘッド部2との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部2から記録媒体Pに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Pに吐出されたインクは定着機構9によって定着され、インク定着後の記録媒体Pが巻き取りロール4によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ1では、インクジェットヘッド部2を静止させた状態で、記録媒体Pを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Pに画像が形成される。
In the above configuration, the recording medium P fed from the feeding roll 3 is transported to a position facing the
なお、インクジェットプリンタ1は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。 The ink jet printer 1 may be configured to form an image on a recording medium by a serial head method. The serial head method is a method of forming an image by ejecting ink by moving an inkjet head in a direction orthogonal to the transport direction while transporting a recording medium.
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2は、インクジェットヘッド21のアクチュエータ21a(圧電アクチュエータ)の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるA−A’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図3は、図2のアクチュエータ21aにノズル基板31を接合してなるインクジェットヘッド21の断面図である。[Configuration of inkjet head]
Next, the configuration of the
インクジェットヘッド21は、複数の圧力室22a(開口部)を有する基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26をこの順で有している。
The
基板22は、厚さが例えば300〜750μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。なお、図2では、基板22をSOI基板で構成した場合を示している。SOI基板は、酸化膜を介して2枚のSi基板を接合したものである。基板22における圧力室22aの上壁(圧力室22aよりも圧電薄膜25の形成側に位置する壁)は、従動膜となる振動板22bを構成しており、圧電薄膜25の駆動(伸縮)に伴って変位(振動)し、圧力室22a内のインクに圧力を付与する。
The
熱酸化膜23は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。The
下部電極24は、複数の圧力室22aに共通して設けられるコモン電極であり、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜23とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。
The
圧電薄膜25は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる強誘電体薄膜で構成されており、各圧力室22aに対応して設けられている。圧電薄膜25の膜厚は、例えば1μm以上10μm以下である。
The piezoelectric
上部電極26は、各圧力室22aに対応して設けられる個別電極であり、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電薄膜25とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。上部電極26は、下部電極24との間で圧電薄膜25を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Pt層の代わりに、金(Au)からなる層を形成してもよい。
The
下部電極24、圧電薄膜25および上部電極26は、圧力室22a内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子27を構成している。この薄膜圧電素子27は、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。インクジェットヘッド21は、薄膜圧電素子27および圧力室22aを縦横に並べることにより形成される。
The
圧力室22aの振動板22bとは反対側には、ノズル基板31が接合されている。ノズル基板31には、圧力室22aに収容されるインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔(ノズル孔)31aが形成されている。圧力室22aには、中間タンク6より供給されるインクが収容される。
A
上記の構成において、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に電圧を印加すると、圧電薄膜25が、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向(基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電薄膜25と振動板22bとの長さの違いにより、振動板22bに曲率が生じ、振動板22bが厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。
In the above configuration, when a voltage is applied from the
したがって、圧力室22a内にインクを収容しておけば、上述した振動板22bの振動により、圧力室22a内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室22a内のインクが吐出孔31aからインク滴として外部に吐出される。
Therefore, if ink is accommodated in the
本実施形態のインクジェットヘッド21aにおいては、後述するように、圧電アクチュエータ21aの圧電薄膜25の耐電圧性が高いため、圧電薄膜25に高い電界を印加することが可能となる。これにより、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となり、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタ1を実現することが可能となる。
In the
〔圧電アクチュエータの詳細について〕
次に、上記した圧電アクチュエータ21aの詳細について説明する。図4は、圧電アクチュエータ21aの詳細な構成を示す断面図である。なお、同図では、便宜上、熱酸化膜23の図示を省略している。[Details of piezoelectric actuator]
Next, the details of the
圧電アクチュエータ21aの圧電薄膜25は、多結晶膜25pと、変質膜25mとを有している。多結晶膜25pは、複数の結晶(例えば柱状結晶)の集合体からなる膜である。変質膜25mは、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した膜であり、例えば非晶質構造(アモルファス)の膜である。なお、変質とは、一般的に、物質の性質が変わることを言うが、ここでは、粒界を持つ複数の結晶の集合(多結晶構造)を一体的に、粒界を持たない構造(例えば非晶質構造)に変化させることにより、粒界を介して大気中の水分を透過させる性質を無くすことを指す。このような変質は、後述するように、所定波長のレーザー光を多結晶構造の膜に照射して加熱し、照射部分を溶融、固化させることによって実現できる。
The piezoelectric
図5は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により観察される多結晶膜25pおよび変質膜25mの水平断面を模式的に示している。同図のように、多結晶膜25pにおいては、結晶と結晶との間に粒界が存在しているが、変質膜25mにおいては、多結晶膜25pで見られたような粒界のない非晶質構造となっている。
FIG. 5 schematically shows a horizontal cross section of the
また、圧電薄膜25は、下部電極24上において、上部電極26の外形からはみ出したテラス領域R1(圧電薄膜25が上部電極26に覆われずに張り出した部分)を有している。すなわち、圧電薄膜25は、テラス領域R1以外の部分において下部電極24と上部電極26とで挟まれている。
Further, the piezoelectric
上記の変質膜25mは、少なくともテラス領域R1に形成されている。より詳しくは、圧電薄膜25のテラス領域R1では、基板22側から多結晶膜25pと変質膜25mとがこの順で積層されている。この結果、変質膜25mは、テラス領域R1において、基板22とは反対側の表面に露出している。
The altered
このように、圧電薄膜25がテラス領域R1を有している場合、上部電極26の側面(端面)が圧電薄膜25の側面(端面)から離れ、これらの側面が同一面上に位置しない。これにより、上部電極26と下部電極24との間に電界をかけたときに、圧電薄膜25の側面に電界がかかることはない。このため、たとえ大気中の水分が圧電薄膜25の側面から内部に取り込まれても、圧電薄膜25の側面をリーク電流が流れることはない。
Thus, when the piezoelectric
また、図6は、テラス領域R1に変質膜25mが形成されていない場合の圧電アクチュエータ21a’の断面図である。この構成では、テラス領域R1において、大気中の水分が圧電薄膜25の基板22とは反対側の表面から、多結晶膜25pの結晶粒界を介して内部に取り込まれるため、取り込まれた水分によって圧電薄膜25の絶縁破壊が生じ、上部電極26の端部と下部電極24との間でリーク電流が発生しやすくなると考えられる。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
これに対して、図4のように、テラス領域R1に変質膜25mが形成されており、この変質膜25mがテラス領域R1において基板22とは反対側の表面に露出する構成では、大気中の水分が圧電薄膜25の上記表面から内部に取り込まれるのを、粒界を持たない変質膜25mによって抑えることができる。これにより、上記水分に起因する圧電薄膜25の絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えて、耐電圧性を向上させることができる。つまり、圧電薄膜25の側面以外におけるリーク電流の発生も抑えることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, a modified
また、例えば絶縁体層などで圧電薄膜25を覆って大気と遮断する構成を採らなくても、大気中の水分の吸収に起因してリーク電流が発生するのを抑えることができるため、絶縁体層を設ける従来のように、圧電薄膜25の変位の阻害による圧電特性の低下が生じることはない。
In addition, since it is possible to suppress the occurrence of a leakage current due to the absorption of moisture in the atmosphere without adopting a configuration in which the piezoelectric
また、変質膜25mは、粒界を持たない非晶質構造であるため、大気中の水分が変質膜25mを介して多層膜25a側に取り込まれるのを確実に抑えることができる。その結果、上記水分に起因する絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えて耐電圧性を向上させるなどの上記の効果を確実に得ることができる。
Further, since the altered
また、下部電極24上のテラス領域R1においては、圧電薄膜25の基板22側には下部電極24および基板22が存在し、大気と接触しない。一方、圧電薄膜25の基板22とは反対側は、大気と直接接触する。このため、テラス領域R1では、圧電薄膜25において大気と接触する表面側にのみ変質膜25mを形成する構成とすることで、変質膜25mの基板22側に多層膜25aが形成されていても、リーク電流の発生を抑える上述の効果を得ることができる。したがって、テラス領域R1全体を変質膜25mで構成する必要がなくなる。
Further, in the terrace region R1 on the
また、変質膜25mは、多結晶膜25pを構成するPZTの変質によって形成されるものであり、材料自体は多結晶膜25pと同じである。したがって、基板22側から多結晶膜25pと変質膜25mとがこの順で構成され、同じ材料の積層構造となるため、これらの膜の密着性を高く確保することが可能となる。
The altered
ところで、上記した変質膜25mは、上述のように、レーザー光の照射によって多結晶構造を変質させることによって形成される(圧電アクチュエータ21aの全体の製造方法については後述する)。このとき、変質膜25mを厚くする場合は、多結晶膜25pの下層に位置する下部電極24や基板22が、レーザー光の照射時の高熱により劣化することが懸念される。このため、変質膜25mの厚みは、その下層の(変質膜25mよりも基板22側に形成される)多結晶膜25pの厚みよりも薄いことが望ましい。
By the way, the above-mentioned
具体的には、圧電薄膜25の全体厚さは1〜10μmであるが、このうち、変質膜25mの厚さは、圧電薄膜25の全体厚さの1/10以下であることが望ましく、1/50以下であることがより望ましい。これにより、変質膜25mはその下層の多結晶膜25pよりも確実に薄くなるため、変質膜25の形成時の高熱によって、下部電極24および基板22が劣化するのを抑えることができる。
Specifically, the total thickness of the piezoelectric
また、変質膜25mの厚みは、5nm以上であることが望ましく、10nm以上であることがより望ましく、20nm以上であることがさらに望ましい。変質膜25mに防湿効果を発揮する機能を確実に持たせるためには、変質膜25mの厚みとして少なくとも5nmを確保することが望まれる。
Further, the thickness of the altered
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、上記の圧電アクチュエータ21aを備えたインクジェットヘッド21の製造方法について以下に説明する。図7は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。[Inkjet head manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the
まず、基板22を用意する。基板22としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜22eを介して2枚のSi基板22c・22dが接合されたSOI構造のものを用いている。
First, the
基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板22c・22dの表面にSiO2からなる熱酸化膜23a・23bをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜23a上に、TiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極24を形成する。The
続いて、基板22を600℃程度に再加熱し、変位膜となるPZTの層25aをスパッタ法で成膜する。なお、PZTからなる層25aは、複数の結晶の集合体からなる多結晶膜25pである。次に、基板22に感光性樹脂35をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂35の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜25の形状を転写する。その後、感光性樹脂35をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層25aの形状を加工し、圧電薄膜25とする。
Subsequently, the
次に、圧電薄膜25を覆うように下部電極24上に、TiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、層26aを形成する。続いて、層26a上に感光性樹脂36をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂36の不要な部分を除去し、形成する上部電極26の形状を転写する。その後、感光性樹脂36をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層26aの形状を加工し、上部電極26を形成する。このとき、圧電薄膜25において、上部電極26の外形からはみ出すテラス領域R1が形成されるように、圧電薄膜25上に上部電極26を形成する。
Next, Ti and Pt layers are sequentially formed on the
次に、圧電薄膜25におけるテラス領域R1の基板22とは反対側の表面を、レーザー光の照射によって加熱することにより、多結晶膜25pを構成する複数の結晶を一体的に変質させ、テラス領域R1の表面に、粒界が消滅した変質膜25mを形成する。
Next, the surface of the piezoelectric
次に、基板22の裏面(熱酸化膜23b側)に感光性樹脂37をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂37の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室22aの形状を転写する。そして、感光性樹脂37をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板22の除去加工を行い、圧力室22aを形成してアクチュエータ21aとする。
Next, a
その後、アクチュエータ21aの基板22と、吐出孔31aを有するノズル基板31とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド21が完成する。なお、吐出孔31aに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜23bを除去して、基板22と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板31とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに3者(基板22、中間ガラス、ノズル基板31)を接合することができる。
Thereafter, the
上記のように、圧電薄膜25において、上部電極26の外形からはみ出すテラス領域R1を形成することにより、上部電極26の側面と圧電薄膜25の側面とが離れるため、圧電薄膜の側面に電界がかかることはない。これにより、圧電薄膜の側面でリーク電流が発生するのを抑えることができる。
As described above, in the piezoelectric
また、圧電薄膜25のテラス領域R1において基板22とは反対側の表面を加熱することにより変質膜25mを形成しているので、大気中の水分が圧電薄膜25の上記表面から内部に取り込まれるのを抑えることができる。これにより、上記水分に起因する絶縁破壊、および圧電薄膜25の側面以外でのリーク電流の発生を抑えることができる。なお、圧電薄膜25を覆う絶縁体層を形成しないので、上記の絶縁体層による圧電特性の低下の問題は発生しない。
In addition, since the altered
また、圧電薄膜25の表面の加熱を、レーザー光の照射によって行っているので、圧電薄膜25を表面のみ加熱する局所加熱を行って、変質膜25mを形成することができる。このような局所加熱により、圧電薄膜25の下層の基板22や下部電極24に余分な高熱がかからないようにできるため、これらの部材の劣化を防ぐことができる。
Further, since the surface of the piezoelectric
ここで、図8は、圧電薄膜25の構成材料であるPZTの分光透過率を示すグラフである。圧電薄膜25(テラス領域R1)の局所加熱に用いるレーザー光としては、PZTを透過せず、PZTに吸収されてその表面を加熱できる波長であればよい。なお、圧電薄膜25を透過する波長のレーザー光を照射すると、レーザー光が圧電薄膜25を透過して下地(下部電極24、基板22)を破損させてしまうおそれがある。この観点では、用いるレーザー光の波長は、圧電薄膜25を透過するときの透過率が50%以下となる波長であることが望ましい。したがって、PZTを加熱する場合は、図8より、400nm以下の波長のレーザー光を用いることが望ましく、360nm以下の波長のレーザー光を用いることがより望ましい。なお、オーブンやホットプレートは、瞬間的な局所加熱が難しいため、用いないほうがよい。
Here, FIG. 8 is a graph showing the spectral transmittance of PZT which is a constituent material of the piezoelectric
〔圧電アクチュエータの他の構成〕
図9は、圧電アクチュエータ21aの他の構成を示す断面図である。同図のように、変質膜25mは、テラス領域R1の膜厚方向の全体にわたって形成されていてもよい。つまり、変質膜25mが、テラス領域R1の膜厚方向の全体にわたって形成されて、テラス領域R1の基板22とは反対側の表面が露出していてもよい。ただし、この場合は、上述したように、変質膜25mの形成時の高熱によって変質膜25mの下層(下部電極24、基板22)が劣化することが懸念されるが、テラス領域R1での大気中の水分の吸収を変質膜25mにより防止して、絶縁破壊およびリーク電流の発生を防止し、これによって耐電圧性が向上することに変わりはない。[Other configurations of piezoelectric actuator]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another configuration of the
また、図10は、圧電アクチュエータ21aのさらに他の構成を示す断面図である。同図のように、変質膜25mは、圧電薄膜25における基板22とは反対側の表面全体に形成されていてもよい。つまり、テラス領域R1に加えて、下部電極24と上部電極26とで挟まれる駆動領域R2においても、圧電薄膜25は、基板22側から、多結晶膜25pと変質膜25mとをこの順で積層して構成されていてもよい。なお、この構成は、下部電極24上に圧電薄膜25を形成した後、圧電薄膜25の表面全体にレーザー光を照射して表面全体に変質膜25mを形成し、その後、テラス領域R1が形成されるように上部電極26を形成することで実現することができる。この構成であっても、テラス領域R1の変質膜25mによって大気中の水分の吸収を防止するため、絶縁破壊およびリーク電流の発生を防止して、耐電圧性を向上させることができる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing still another configuration of the
また、圧電薄膜25は、多結晶であるほうが圧電特性に優れている。したがって、駆動領域R2に変質膜25mを形成する場合は、変質膜25mの厚みは、その基板側の多結晶膜25pの厚みよりも薄いことが望ましい。具体的には、駆動領域R2における変質膜25mの厚さは、テラス領域R1に形成する場合と同様に、圧電薄膜25の全体厚さの1/10以下であることが望ましく、1/50以下であることがより望ましい。また、駆動領域R2における変質膜25mの厚さは、5nm以上であることが望ましく、10nm以上であることがより望ましく、20nm以上であることがさらに望ましい。
In addition, the piezoelectric
ところで、図11は、圧電薄膜25に異物Qが含まれる場合の圧電アクチュエータ21aの断面図である。圧電薄膜25に異物Qが含まれた状態で、上部電極26および下部電極24の間に電界をかけると、異物Qや異物Qの界面、または異物Qの周辺の粒界を電流がリークしやすくなり、絶縁破壊が発生しやすい。なお、圧電薄膜25に異物Qが存在すると、上部電極26の一部が異物Qのある箇所で隆起するため、異物Qの有無は、圧電アクチュエータ21aの外観検査によって確認できる。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the
そこで、圧電薄膜25に異物Qが存在することが確認された場合は、上部電極26の形成後、上部電極26の外形よりも内側の一部(異物Qによって隆起した部分)をレーザー光の照射による加熱によって除去する。異物Qの周辺部の上部電極26を蒸散させて除去することにより、異物Qの周辺に電界がかからなくなる。その後、上部電極26の一部の除去によって露出する領域(露出領域R3)の圧電薄膜25の表面を、レーザー光の照射によって加熱(局所加熱)して、複数の結晶を一体的に変質させることにより、上記表面に変質膜25mをさらに形成する。
Therefore, when it is confirmed that the foreign material Q exists in the piezoelectric
図12は、異物Qの周辺の上部電極26を除去して、圧電薄膜25の露出領域R3に変質膜25mを形成した圧電アクチュエータ21aの断面図である。露出領域R3では、圧電薄膜25は、基板22側から、多結晶膜25pと変質膜25mとがこの順で積層された形で構成される。なお、露出領域R3における変質膜25の厚みの範囲(上限、下限)については、テラス領域R1および駆動領域R2における変質膜25の厚みの範囲と同様に考えることができる。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the
露出領域R3において、圧電薄膜25の大気側の表面に変質膜25mを形成することにより、大気中の水分が圧電薄膜25の内部に取り込まれるのを抑えることができる。これにより、異物Qの存在によって上部電極26の一部を除去し、下層の圧電薄膜25が露出する場合でも、上記水分に起因する、露出領域R3での圧電薄膜25の絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えることができる。
In the exposed region R <b> 3, by forming the altered
以上のことから、図12の圧電アクチュエータ21aにおいては、上部電極26は、その外形よりも内側で一部が除去されており、変質膜25mは、上部電極26の一部の除去によって圧電薄膜が露出する露出領域R3にさらに形成されており、露出領域R3において、圧電薄膜25は、基板22側から多結晶膜25pと変質膜22mとをこの順で有していてもよいと言える。
From the above, in the
図12においては、圧電薄膜25がテラス領域R1を有する例で説明したが、上部電極26の一部を除去し、露出領域R3に変質膜25mを形成して圧電薄膜上部からの水分吸着によるリーク電流を防止することは、テラス領域R1を持たない圧電薄膜、すなわち圧電薄膜の側面と上部電極の側面とが面一になっている構成においても適用できる。
In FIG. 12, the example in which the piezoelectric
〔実施例〕
次に、図4および図12で示した構成において、変質膜25mを形成する具体的な実施例を、それぞれ実施例1および2として説明する。〔Example〕
Next, specific examples of forming the altered
(実施例1)
図7で示した方法で、基板22上に、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26を順に形成した後、圧電薄膜25のテラス領域R1にレーザー光を照射して変質膜25mを形成し、図4で示した構成の圧電アクチュエータ21aを製造した。このとき、Siからなる振動板22bの厚みを5μmとし、Ptを含む下部電極24の厚みを0.1μmとし、PZTからなる圧電薄膜25の厚みを5μmとし、Auを含む上部電極の厚みを0.3μmとした。Example 1
After the
下部電極24上にスパッタ法で成膜される圧電薄膜25は、下部電極24から上側に伸びる柱状の結晶が集まった多結晶膜25p(粒径:数十nm〜1μm程度、結晶配向:<100>方向)を有しており、また、圧電薄膜25において、上部電極26で覆われていないテラス領域R1のPZT表面には、アモルファスの状態のPZT、すなわち、粒界のない領域(変質膜25m)が形成されていることが、SEM画像等から確認された。なお、変質膜25mの厚みは、20nmであった。
The piezoelectric
ここで、変質膜25mは、PZTの多結晶膜25pを局所加熱(表面のみを加熱)することにより形成されるが、このときの局所加熱は、HOYA製のYAGレーザー照射機(LR−3100SUV)を用い、パルスレーザーを照射して行った。レーザー光の波長は266nmであり、パルス幅は5nsecであり、光量は0.1mJであった。PZTの融点は、一般的には1300〜1600℃と言われているが、上記のレーザー光を用いることにより、局所加熱によってPZT表面を確実に融解し、固化させて、PZT表面の粒界を無くすことができた。
Here, the altered
PZT透過率の高い波長(吸収の少ない波長)での加工は、光のほとんどがPZTを透過して、PZTの表面にかかる熱が非常に小さくなるので好適ではない。PZTの局所加熱に使用できるレーザー光の波長は、上述のように400nm以下であることが望ましい。このようなレーザー光の例としては、以下のものが挙げられる。
(1)YAGレーザー(固体レーザーの一種で、波長1064nmを基本波とするレーザー)
YAG第3高調波:波長355nm(YAG基本波を3分の1の波長に変換したもの)
YAG第4高調波:波長266nm(YAG基本波を4分の1の波長に変換したもの)
YAG第5高調波:波長213nm(YAG基本波を5分の1の波長に変換したもの)
(2)エキシマレーザー(気体レーザーの一種で、使う媒質により波長が異なる)
媒質N2 :波長337nm
媒質XeCl:波長308nm
媒質KrF :波長248nm
媒質KrCl:波長222nm
媒質ArF :波長193nmProcessing at a wavelength with a high PZT transmittance (a wavelength with little absorption) is not preferable because most of the light passes through the PZT and the heat applied to the surface of the PZT becomes very small. The wavelength of laser light that can be used for local heating of PZT is desirably 400 nm or less as described above. Examples of such laser light include the following.
(1) YAG laser (a type of solid-state laser with a fundamental wavelength of 1064 nm)
YAG third harmonic: Wavelength 355 nm (YAG fundamental wave converted to 1/3 wavelength)
YAG fourth harmonic: wavelength 266 nm (YAG fundamental wave converted to a quarter wavelength)
YAG fifth harmonic: Wavelength 213 nm (YAG fundamental wave converted to 1/5 wavelength)
(2) Excimer laser (a type of gas laser with different wavelengths depending on the medium used)
Medium N 2 : wavelength 337 nm
Medium XeCl: wavelength 308 nm
Medium KrF: wavelength 248 nm
Medium KrCl:
Medium ArF: wavelength 193 nm
また、PZT表面に十分な熱が加わるように照射光量を上げると、PZT表面だけでなく、その下地(下部電極24、振動板22b等)および照射エリア周辺が、加熱の影響を受けて、素子性能が劣化する場合がある。このため、照射光量についても適切に設定する必要がある。
Further, when the amount of irradiation light is increased so that sufficient heat is applied to the PZT surface, not only the PZT surface but also the base (the
このようにして作製した圧電アクチュエータ21aの耐電圧性を以下のようにして調べた。すなわち、上部電極26と下部電極24との間に、周波数100kHzの矩形波で20Vの電圧を30分印加して、絶縁破壊が発生するかどうかのテストを行った。絶縁破壊が発生しなかった場合は、印加電圧をさらに5V上げてテストを行い、最大50Vまで上げてテストを行った。なお、テスト環境は、23℃湿度50%RHであった。
The withstand voltage property of the
また、実施例1において、変質膜25mを形成しなかったものを比較例1の圧電アクチュエータ(図6参照)とし、この圧電アクチュエータについても上記と同様にして耐電圧性を調べた。その結果、実施例1では、印加電圧を50Vまで上げても絶縁破壊は発生しなかったが、比較例1では、印加電圧が35Vのときに絶縁破壊が発生した。したがって、実施例1のようにテラス領域R1に変質膜25mを形成する構成では、変質膜25mを形成しない場合に比べて、耐電圧性が15V以上向上すると言える。
Further, in Example 1, the one in which the altered
なお、圧電変位については、実施例1と比較例1とで同じ値であり、変質膜25mを形成したことによる圧電変位への影響はないことが確認された。
The piezoelectric displacement was the same value in Example 1 and Comparative Example 1, and it was confirmed that there was no influence on the piezoelectric displacement due to the formation of the altered
(実施例2)
圧電アクチュエータ21aの完成後、圧電薄膜25に異物Qは混入していることが外観検査で確認されたときに、レーザー光を照射して、異物Qの周辺の上部電極26を除去し、その後、むき出しとなったPZTの表面にもレーザー光を照射して、PZTの粒界を無くした変質膜25mを形成した(図12参照)。このようにすることで、異物起因のリーク電流の発生を抑えることができる。(Example 2)
After the completion of the
上部電極26の除去およびPZT表面における変質膜25mの形成は、HOYA製のYAGレーザー照射機(LR−3100SUV)を用い、パルスレーザーを照射して行った。レーザー光の波長は266nmであり、パルス幅は5nsecであり、光量は0.5mJであった。レーザー光の照射光量を実施例1よりも上げることにより、異物Qの周辺の上部電極26の除去と、PZT表面の変質膜25の形成(粒界をなくす処理)とを一括して(連続して)行うことができる。なお、上部電極26の除去と、PZT表面の変質膜25の形成とを非連続的に(時間を空けて)行ってもよい。
The removal of the
上記のように処理することで、実施例2では、印加電圧を50Vまで上げても絶縁破壊は発生せず、良好な耐電圧性が得られることが確認された。 By processing as described above, in Example 2, it was confirmed that even if the applied voltage was increased to 50 V, dielectric breakdown did not occur and good voltage resistance was obtained.
以上で説明した本実施形態の圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタは、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。 The piezoelectric actuator, the manufacturing method of the piezoelectric actuator, the ink jet head, and the ink jet printer of the present embodiment described above can be expressed as follows, thereby producing the following effects.
本実施形態の圧電アクチュエータは、基板上に、下部電極、圧電薄膜および上部電極をこの順で有する圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜は、複数の結晶を含む多結晶膜と、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜とを有しており、前記変質膜は、前記下部電極上の前記圧電薄膜において、前記上部電極の外形からはみ出した領域に少なくとも形成されており、かつ、前記領域において前記基板とは反対側の表面に露出している。 The piezoelectric actuator of this embodiment is a piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order on a substrate. The piezoelectric thin film includes a polycrystalline film including a plurality of crystals and a plurality of crystals. An alteration film in which grain boundaries disappear due to integral alteration, and the alteration film is formed at least in a region protruding from the outer shape of the upper electrode in the piezoelectric thin film on the lower electrode, And in the said area | region, it exposes on the surface on the opposite side to the said board | substrate.
圧電薄膜は、下部電極上で上部電極の外形からはみ出した領域を有している。この構成では、上部電極の側面(端面)が、圧電薄膜の側面(端面)と同一面上になく、離れているため、上部電極と下部電極との間に電界をかけたときに、圧電薄膜の側面に電界がかかることはない。このため、たとえ大気中の水分が圧電薄膜の側面から内部に取り込まれても、その水分に起因して側面リークが発生するのを抑えることができる。 The piezoelectric thin film has a region protruding from the outer shape of the upper electrode on the lower electrode. In this configuration, since the side surface (end surface) of the upper electrode is not flush with the side surface (end surface) of the piezoelectric thin film, it is separated from the piezoelectric thin film when an electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode. No electric field is applied to the side surface. For this reason, even if moisture in the atmosphere is taken into the inside from the side surface of the piezoelectric thin film, it is possible to suppress the occurrence of side surface leakage due to the moisture.
また、圧電薄膜の少なくとも上記の領域に、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜が形成されており、この変質膜が上記領域において基板とは反対側の表面に露出している。なお、変質膜が上記表面に露出するのであれば、変質膜は上記領域において圧電薄膜の膜厚方向全体に形成されていてもよいし、表面側にのみ形成されていてもよい(基板側は多結晶膜であってもよい)。 In addition, an altered film in which the grain boundaries have disappeared due to integral alteration of a plurality of crystals is formed in at least the above-described region of the piezoelectric thin film, and this altered film is exposed on the surface opposite to the substrate in the above-described region. ing. If the altered film is exposed on the surface, the altered film may be formed in the entire region of the piezoelectric thin film in the region, or may be formed only on the surface side (on the substrate side). It may be a polycrystalline film).
圧電薄膜の表面に多結晶膜が存在する場合は、大気中の水分が多結晶膜の粒界を介して内部に取り込まれる。しかし、変質膜は粒界を持たないため、大気中の水分が圧電薄膜の上記表面から内部に取り込まれるのを抑えることができる。これにより、上記水分に起因して圧電薄膜に絶縁破壊が生じてリーク電流が発生するのを抑えることができ、耐電圧性を向上させることができる。つまり、上部電極と下部電極との間に電界をかけたときに、上部電極の端部と下部電極との間で圧電薄膜の絶縁破壊が発生するのを抑えて、圧電薄膜の側面以外におけるリーク電流の発生も抑えることができる。しかも、従来のように、絶縁体層で圧電薄膜を覆うことなく、リーク電流の発生を抑えることができるので、上記の絶縁体層によって圧電薄膜の変位が阻害され、圧電特性が低下するということは起こり得ない。 When a polycrystalline film is present on the surface of the piezoelectric thin film, moisture in the atmosphere is taken into the interior through the grain boundary of the polycrystalline film. However, since the altered film does not have a grain boundary, it is possible to prevent moisture in the atmosphere from being taken into the inside from the surface of the piezoelectric thin film. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of a leakage current due to dielectric breakdown in the piezoelectric thin film due to the moisture, and to improve the voltage resistance. In other words, when an electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode, the dielectric breakdown of the piezoelectric thin film is prevented from occurring between the end portion of the upper electrode and the lower electrode, so that leakage occurs on the side other than the side surface of the piezoelectric thin film. Generation of current can also be suppressed. Moreover, unlike the conventional case, since the generation of leakage current can be suppressed without covering the piezoelectric thin film with the insulator layer, the above-described insulator layer inhibits the displacement of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric characteristics are deteriorated. Can't happen.
前記変質膜は、非晶質構造を持っていてもよい。この場合、変質膜は確実に粒界を持たないため、上記の効果を確実に得ることができる。 The altered film may have an amorphous structure. In this case, since the altered film does not have grain boundaries, the above effect can be obtained with certainty.
前記領域において、前記圧電薄膜は、前記基板側から前記多結晶膜と前記変質膜とをこの順で有していてもよい。 In the region, the piezoelectric thin film may have the polycrystalline film and the altered film in this order from the substrate side.
下部電極上の上記領域においては、圧電薄膜の基板側は大気と接触せず(下部電極および基板が存在するため)、基板とは反対側が大気と接触する。このため、上記領域では、圧電薄膜の膜厚方向全体を変質膜で形成しなくても、つまり、基板側を多結晶膜とし、基板とは反対側を変質膜とした構成であっても、上述の効果を得ることができる。 In the above region on the lower electrode, the substrate side of the piezoelectric thin film is not in contact with the atmosphere (because the lower electrode and the substrate are present), and the opposite side of the substrate is in contact with the atmosphere. Therefore, in the above region, even if the entire film thickness direction of the piezoelectric thin film is not formed by the altered film, that is, the substrate side is a polycrystalline film, and the opposite side of the substrate is the altered film, The effects described above can be obtained.
前記上部電極は、その外形よりも内側で一部が除去されており、前記変質膜は、前記上部電極の一部の除去によって前記圧電薄膜が露出する露出領域にさらに形成されており、前記露出領域において、前記圧電薄膜は、前記基板側から前記多結晶膜と前記変質膜とをこの順で有していてもよい。 The upper electrode is partially removed inside the outer shape, and the altered film is further formed in an exposed region where the piezoelectric thin film is exposed by removing a part of the upper electrode. In the region, the piezoelectric thin film may have the polycrystalline film and the altered film in this order from the substrate side.
例えば、圧電薄膜に存在する異物を介してリーク電流が発生するのを防止するために、上部電極の外形よりも内側で、上部電極の一部(異物の上方の箇所)が除去される場合がある。上部電極の一部の除去によって圧電薄膜が露出する領域(露出領域)では、基板側に多結晶膜を位置させ、大気側に変質膜を位置させることで、大気中の水分が圧電薄膜の内部に取り込まれるのを抑えることができる。これにより、圧電薄膜の上記露出領域での絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えることができる。 For example, in order to prevent leakage current from being generated through foreign matter existing in the piezoelectric thin film, a part of the upper electrode (a portion above the foreign matter) may be removed inside the outer shape of the upper electrode. is there. In the region where the piezoelectric thin film is exposed by removing a part of the upper electrode (exposed region), the polycrystalline film is positioned on the substrate side, and the altered film is positioned on the atmospheric side, so that moisture in the atmosphere is contained inside the piezoelectric thin film. Can be prevented from being taken in. Thereby, it is possible to suppress dielectric breakdown and generation of leakage current in the exposed region of the piezoelectric thin film.
前記変質膜の厚みは、該変質膜よりも前記基板側に形成される前記多結晶膜の厚みよりも薄いことが望ましい。変質膜は、例えばレーザー光の照射により、複数の結晶を一体的に変質させる(例えば非晶質化させる)ことによって形成される。変質膜を厚くする場合は、多結晶膜の下層(下部電極、基板)がレーザー光の照射時の高熱により劣化することが懸念されるため、変質膜は多結晶膜よりも薄くすることが望ましい。 The thickness of the altered film is preferably thinner than the thickness of the polycrystalline film formed on the substrate side than the altered film. The altered film is formed by, for example, altering a plurality of crystals integrally (for example, making them amorphous) by irradiation with laser light, for example. When the altered film is thickened, there is a concern that the lower layer (lower electrode, substrate) of the polycrystalline film may be deteriorated by high heat during laser light irradiation. Therefore, it is desirable that the altered film be thinner than the polycrystalline film. .
前記変質膜の厚みは、5nm以上であることが望ましい。変質膜の厚みが少なくとも5nmあれば、変質膜を、大気中の水分の侵入を防ぐ膜として確実に機能させることができる。 The thickness of the altered film is preferably 5 nm or more. If the thickness of the altered film is at least 5 nm, the altered film can reliably function as a film that prevents moisture from entering the atmosphere.
本実施形態のインクジェットヘッドは、上述した圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている。上述した圧電アクチュエータでは、耐電圧性を向上させることができるため、高い電界を印加してインク吐出を行うことが可能となる。これにより、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となる。 The ink jet head of this embodiment includes the above-described piezoelectric actuator and a nozzle substrate having nozzle holes for ejecting ink accommodated in openings formed in the substrate of the piezoelectric actuator to the outside. In the above-described piezoelectric actuator, since the withstand voltage can be improved, it is possible to eject ink by applying a high electric field. As a result, ink discharge using high-viscosity ink becomes possible.
本実施形態のインクジェットプリンタは、上記のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる。上記のインクジェットヘッドを備えていることにより、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタを実現できる。 The ink jet printer of this embodiment includes the above ink jet head, and ejects ink from the ink jet head toward a recording medium. By including the above-described inkjet head, an inkjet printer advantageous for high-speed and high-definition drawing can be realized.
本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、複数の結晶を含む多結晶膜を成膜して圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜において、上部電極の外形からはみ出す領域が形成されるように、前記圧電薄膜上に前記上部電極を形成する工程と、前記領域の前記基板とは反対側の表面を加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を、前記領域の少なくとも前記表面に形成する工程とを有している。 The method for manufacturing a piezoelectric actuator of this embodiment includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a polycrystalline film including a plurality of crystals on the lower electrode, and forming a piezoelectric thin film, In the piezoelectric thin film, the step of forming the upper electrode on the piezoelectric thin film so as to form a region protruding from the outer shape of the upper electrode, and heating the surface of the region opposite to the substrate to Forming a denatured film having the grain boundaries disappeared on at least the surface of the region by integrally modifying a plurality of crystals contained in the crystal film.
圧電薄膜には、上部電極の外形からはみ出した領域が形成されており、上部電極の側面と圧電薄膜の側面とが離れるため、圧電薄膜の側面に電界がかかることはない。このため、たとえ大気中の水分が圧電薄膜の側面から内部に取り込まれても、その水分に起因する側面リークの発生を抑えることができる。 In the piezoelectric thin film, a region protruding from the outer shape of the upper electrode is formed, and the side surface of the upper electrode is separated from the side surface of the piezoelectric thin film, so that an electric field is not applied to the side surface of the piezoelectric thin film. For this reason, even if moisture in the atmosphere is taken into the inside from the side surface of the piezoelectric thin film, the occurrence of side leakage due to the moisture can be suppressed.
また、圧電薄膜の上記領域の基板とは反対側の表面に、粒界が消滅した変質膜が形成されるので、大気中の水分が圧電薄膜の上記表面から内部に取り込まれるのを抑えることができる。したがって、上記水分に起因する絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えて、耐電圧性を向上させることができる。つまり、上部電極の端部と下部電極との間で圧電薄膜の絶縁破壊が発生するのを抑えて、圧電薄膜の側面以外におけるリーク電流の発生も抑えることができる。しかも、従来のように、絶縁体層で圧電薄膜を覆うことなく、リーク電流の発生を抑えることができるので、上記の絶縁体層によって圧電薄膜の変位が阻害され、圧電特性が低下するということは起こり得ない。 In addition, a modified film with the grain boundaries disappearing is formed on the surface of the piezoelectric thin film opposite to the substrate, so that moisture in the atmosphere can be prevented from being taken into the surface from the surface of the piezoelectric thin film. it can. Therefore, it is possible to improve the voltage resistance while suppressing the occurrence of dielectric breakdown and leakage current due to the moisture. That is, it is possible to suppress the dielectric breakdown of the piezoelectric thin film between the end portion of the upper electrode and the lower electrode, and it is possible to suppress the occurrence of a leakage current other than on the side surface of the piezoelectric thin film. Moreover, unlike the conventional case, since the generation of leakage current can be suppressed without covering the piezoelectric thin film with the insulator layer, the above-described insulator layer inhibits the displacement of the piezoelectric thin film, and the piezoelectric characteristics are deteriorated. Can't happen.
上記の製造方法は、前記上部電極の形成後、前記上部電極の外形よりも内側の一部を加熱によって除去し、その後、前記上部電極の一部の除去によって露出する前記圧電薄膜の表面を加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を前記表面に形成する工程をさらに有していてもよい。 In the above manufacturing method, after the formation of the upper electrode, a part inside the outer shape of the upper electrode is removed by heating, and then the surface of the piezoelectric thin film exposed by removing a part of the upper electrode is heated. In addition, the method may further include a step of forming, on the surface, a modified film in which the grain boundaries have disappeared by integrally modifying a plurality of crystals contained in the polycrystalline film.
この場合、上部電極の一部の除去によって露出した圧電薄膜の内部に大気中の水分が取り込まれるのを、表面の変質膜で抑えることができる。これにより、上部電極の一部の除去によって露出した領域での圧電薄膜の絶縁破壊およびリーク電流の発生を抑えることができる。 In this case, it is possible to suppress the moisture in the atmosphere from being taken into the piezoelectric thin film exposed by removing a part of the upper electrode by the alteration film on the surface. Thereby, it is possible to suppress the dielectric breakdown of the piezoelectric thin film and the occurrence of leakage current in the region exposed by removing a part of the upper electrode.
前記圧電薄膜の表面の加熱を、レーザー光の照射によって行うことが望ましい。レーザー光の照射により、圧電薄膜(多結晶膜)を局所的に加熱して、つまり、圧電薄膜の膜厚方向の一部(例えば表面のみ)を瞬間的に加熱して、変質膜を形成することができる。このような局所加熱により、構成部材である基板や下部電極に余分な高熱がかからないようにできるため、これらの部材の劣化を防ぐことができる。 It is desirable to heat the surface of the piezoelectric thin film by laser light irradiation. By applying laser light, the piezoelectric thin film (polycrystalline film) is locally heated, that is, a part of the piezoelectric thin film in the film thickness direction (for example, only the surface) is instantaneously heated to form an altered film. be able to. By such local heating, it is possible to prevent excessive heat from being applied to the substrate and the lower electrode, which are constituent members, so that deterioration of these members can be prevented.
前記レーザー光の波長は、前記圧電薄膜を透過するときの透過率が50%以下となる波長であることが望ましい。圧電薄膜が吸収する波長のレーザー光を照射することにより、圧電薄膜を確実に局所加熱できる。 The wavelength of the laser beam is preferably such that the transmittance when transmitting through the piezoelectric thin film is 50% or less. By irradiating a laser beam having a wavelength that is absorbed by the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film can be reliably heated locally.
本発明の圧電アクチュエータは、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに利用可能である。 The piezoelectric actuator of the present invention can be used for an inkjet head and an inkjet printer.
1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
21a アクチュエータ(圧電アクチュエータ)
22 基板
22a 圧力室(開口部)
24 下部電極
25 圧電薄膜
25p 多結晶膜
25m 変質膜
26 上部電極
31 ノズル基板
31a 吐出孔(ノズル孔)
R1 テラス領域
R3 露出領域1
22
24
R1 Terrace area R3 Exposed area
Claims (12)
前記圧電薄膜は、複数の結晶を含む多結晶膜と、複数の結晶の一体的な変質によって粒界が消滅した変質膜とを有しており、
前記変質膜は、前記下部電極上の前記圧電薄膜において、前記上部電極の外形からはみ出した領域に少なくとも形成されており、かつ、前記領域において前記基板とは反対側の表面に露出している、圧電アクチュエータ。A piezoelectric actuator having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order on a substrate,
The piezoelectric thin film has a polycrystalline film containing a plurality of crystals and a modified film in which grain boundaries have disappeared due to integral modification of the plurality of crystals,
In the piezoelectric thin film on the lower electrode, the altered film is formed at least in a region protruding from the outer shape of the upper electrode, and is exposed on the surface opposite to the substrate in the region. Piezoelectric actuator.
前記変質膜は、前記上部電極の一部の除去によって前記圧電薄膜が露出する露出領域にさらに形成されており、
前記露出領域において、前記圧電薄膜は、前記基板側から前記多結晶膜と前記変質膜とをこの順で有している、請求項3に記載の圧電アクチュエータ。The upper electrode has been partially removed inside its outer shape,
The altered film is further formed in an exposed region where the piezoelectric thin film is exposed by removing a part of the upper electrode,
4. The piezoelectric actuator according to claim 3, wherein in the exposed region, the piezoelectric thin film has the polycrystalline film and the altered film in this order from the substrate side.
前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている、インクジェットヘッド。A piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6,
An inkjet head comprising: a nozzle substrate having a nozzle hole for discharging ink accommodated in an opening formed in the substrate of the piezoelectric actuator.
前記下部電極上に、複数の結晶を含む多結晶膜を成膜して圧電薄膜を形成する工程と、
前記圧電薄膜において、上部電極の外形からはみ出す領域が形成されるように、前記圧電薄膜上に前記上部電極を形成する工程と、
前記領域の前記基板とは反対側の表面を加熱して、前記多結晶膜に含まれる複数の結晶を一体的に変質させることにより、粒界が消滅した変質膜を、前記領域の少なくとも前記表面に形成する工程とを有している、圧電アクチュエータの製造方法。Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a piezoelectric thin film by forming a polycrystalline film containing a plurality of crystals on the lower electrode;
Forming the upper electrode on the piezoelectric thin film such that a region protruding from the outer shape of the upper electrode is formed in the piezoelectric thin film;
The surface of the region opposite to the substrate is heated to integrally modify a plurality of crystals contained in the polycrystalline film, thereby causing a modified film in which grain boundaries have disappeared to form at least the surface of the region. A method of manufacturing a piezoelectric actuator.
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