JP2007116004A - Process for fabricating actuator and process for manufacturing liquid ejection head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力発生室が形成された基板の一面側に振動板を設け、この振動板を介して設けられる圧電素子を備えたアクチュエータ装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an actuator device including a diaphragm provided on one surface side of a substrate on which a pressure generation chamber is formed, and a piezoelectric element provided via the diaphragm.
電圧を印加することにより変位する圧電素子を備えるアクチュエータ装置が知られている。このアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドとして、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させる液体噴射ヘッドが知られている。液体噴射ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものの2種類が実用化されている。 An actuator device including a piezoelectric element that is displaced by applying a voltage is known. This actuator device is mounted on, for example, a liquid ejecting head that ejects droplets. As a liquid ejecting head, a part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber and eject ink droplets from the nozzle opening. Liquid jet heads are known. There are two types of liquid ejecting heads in practical use: those equipped with a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator device that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those equipped with a flexural vibration mode piezoelectric actuator device.
後者としては、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧電素子とを備えたものが知られている(例えば、特開平10−81016号公報)。振動板は、流路形成基板の一方面を熱酸化することで形成された酸化シリコン膜と、この酸化シリコン膜上に形成された酸化ジルコニウム膜とから構成されている。圧電素子は、振動板の上に形成された下電極と、下電極の上に形成されたPZT等の圧電体と、圧電体の上に形成された上電極と、からなり、さらに、上電極が所定パターン化されて形成されてなる。 The latter includes a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening is formed, and a piezoelectric element provided on one surface side of the flow path forming substrate via a vibration plate. (For example, JP-A-10-81016). The diaphragm is composed of a silicon oxide film formed by thermally oxidizing one surface of the flow path forming substrate, and a zirconium oxide film formed on the silicon oxide film. The piezoelectric element includes a lower electrode formed on the diaphragm, a piezoelectric body such as PZT formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric body. Is formed in a predetermined pattern.
このような、液体噴射ヘッドにおいては、圧電体膜の結晶性が下電極の平坦性に影響される。下電極の平坦性は、下電極が積層される酸化ジルコニウム膜の平坦性に依るが、酸化ジルコニウム膜は結晶粒に沿って凹凸があり、完全な平坦性は難しかった。このため、圧電体膜の結晶性が十分得られず、所望の変位特性が達成されなかった。
本発明は、既述の課題を解決するために、圧電素子を備えたアクチュエータ装置において、下電極が積層される酸化膜の平坦性を向上したアクチュエータ装置の製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an actuator device that improves the flatness of an oxide film on which a lower electrode is laminated in an actuator device including a piezoelectric element. .
前記目的を達成するために、本発明は、シリコン基板の一方面側に振動板となる酸化膜を形成し、当該振動板を介して下電極、圧電体膜及び上電極からなる圧電素子を所定のパターンで形成してなるアクチュエータ装置の製造方法において、前記基板上に酸化シリコン膜を形成する工程と、前記酸化シリコン膜上に酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、前記酸化ジルコニウム膜上に、付加膜を形成する工程と、前記付加膜が積層された酸化ジルコニウム膜を、当該酸化ジルコニウム膜が平坦になるまでエッチバックする工程と、平坦化された前記酸化ジルコニウム膜上に下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に上電極を形成する工程と、を備える、ことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, according to the present invention, an oxide film serving as a vibration plate is formed on one surface side of a silicon substrate, and a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode is predetermined through the vibration plate. In the manufacturing method of the actuator device formed by the pattern, a step of forming a silicon oxide film on the substrate, a step of forming a zirconium oxide film on the silicon oxide film, and an addition on the zirconium oxide film Forming a film, etching back the zirconium oxide film on which the additional film is laminated until the zirconium oxide film becomes flat, and forming a lower electrode on the flattened zirconium oxide film. And a step of forming a piezoelectric film on the lower electrode and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film.
前記付加膜は酸化膜からなることが好ましく、特にSOG法によって形成されることが好ましい。 The additional film is preferably made of an oxide film, and particularly preferably formed by the SOG method.
本発明の第2は、既述のアクチュエータ装置の前記基板の他方面側に、圧力発生室を形成する工程と、これに連通するノズル開口を有するノズルプレートを接合する工程とを、備える液体噴射ヘッドの製造方法である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a liquid jet including a step of forming a pressure generation chamber on the other surface side of the substrate of the actuator device described above, and a step of joining a nozzle plate having a nozzle opening communicating with the chamber. It is a manufacturing method of a head.
本発明によれば、酸化ジルコニウム膜を平坦化してから下電極を形成し、その上に圧電体膜を形成しているので、圧電体膜の結晶性を向上させ、ひいては圧電特性を向上できる。 According to the present invention, since the lower electrode is formed after the zirconium oxide film is flattened and the piezoelectric film is formed thereon, the crystallinity of the piezoelectric film can be improved, and thus the piezoelectric characteristics can be improved.
以上説明したように、本発明によれば、圧電素子を備えたアクチュエータ装置において、下電極が積層される酸化膜の平坦性を向上したアクチュエータ装置の製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an actuator device that improves the flatness of an oxide film on which a lower electrode is laminated in an actuator device including a piezoelectric element.
以下に本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明に係る、圧電素子を備えたアクチュエータとしての液体噴射ヘッド、詳しくはインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及び断面図である。 Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is an exploded perspective view showing a liquid ejecting head as an actuator having a piezoelectric element according to the present invention, more specifically, an ink jet recording head, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of FIG.
流路形成基板10は、面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって酸化シリコン膜である厚さ1〜2μmの弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12に設けられたインク供給路14を介して連通されている。
The flow
連通部13は、後述する保護基板30のリザーバ部32と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100の一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
The
流路形成基板10の開口面側には、圧力発生室12を形成する際のマスクとして用いられたマスク膜51を介して、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。
On the opening surface side of the flow
流路形成基板10の開口面とは反対側には、厚さが、例えば約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1.0μmの圧電体膜70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、積膜形成されて、圧電素子300を構成している。
An
圧電素子300は、下電極膜60、圧電体膜70及び上電極膜80からなる。一般的に、圧電素子300の下電極を共通電極とし、上電極及び圧電体膜70を圧力発生室12毎にパターニングする。電極へ電圧を印加して、圧電歪みが圧電体能動部に発生する。圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されている。圧電素子300と、圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータが形成される。弾性膜50、絶縁体膜55が振動板としての役割を果たす。
The
弾性膜50上に、例えば、RFスパッタ法やDCスパッタ法等のスパッタ法により絶縁体膜55が形成される。弾性膜50は酸化シリコン(SiO2)膜から、絶縁体膜55は、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜からなる。
An
圧電素子300を構成する圧電体膜70を形成する材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その組成は、圧電素子300の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよい。例えば、PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3−PbTiO3(PIN−PT)、Pb(Sc1/3Ta1/2)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc1/3Nb1/2)O3−PbTiO3(PSN−PT)、BiScO3−PbTiO3(BS−PT)、BiYbO3−PbTiO3(BY−PT)等が挙げられる。
Examples of a material for forming the
流路形成基板10上の圧電素子300側の面には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接着されている。圧電素子300は、この圧電素子保持部31内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護される。
On the surface on the
保護基板30には、リザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部32が設けられている。このリザーバ部32は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成され、その連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
The
保護基板30のリザーバ部32と圧電素子保持部31との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90は、その端部近傍が貫通孔33内で露出されている。このような保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等である。流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることが好ましく、例えば、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板で形成されることが好ましい。
A through
保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部32の一方面が封止されている。
固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
On the
The fixing
インクジェット式記録ヘッドは、外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動ICからの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、圧電素子300及び振動板をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインクが吐出する。
The ink jet recording head takes in ink from the external ink supply means, fills the interior from the
下部電極は、イリジウムの単膜、白金の単膜、イリジウムと白金との合金からなる膜、あるいは、イリジウム膜/白金膜、白金膜/イリジウム膜、イリジウム膜/白金膜/イリジウム膜といった積膜構造として構成されることが好ましい。上部電極は、通常電極として用いることができる導電性材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、Pt、RuO2、Ir、IrO2等の単膜膜又はPt/Ti、Pt/Ti/TiN、Pt/TiN/Pt、Ti/Pt/Ti、TiN/Pt/TiN、Pt/Ti/TiN/Ti、RuO2/TiN、IrO2/Ir、IrO2/TiN等の2膜以上の積膜膜であってもよい。 The lower electrode may be a single film of iridium, a single film of platinum, a film made of an alloy of iridium and platinum, or a stacked film structure of iridium film / platinum film, platinum film / iridium film, iridium film / platinum film / iridium film It is preferable to be configured as. The upper electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material that can be used as a normal electrode. For example, a single film such as Pt, RuO 2 , Ir, IrO 2, or Pt / Ti, Pt / Ti / Two or more stacked films such as TiN, Pt / TiN / Pt, Ti / Pt / Ti, TiN / Pt / TiN, Pt / Ti / TiN / Ti, RuO 2 / TiN, IrO 2 / Ir, IrO 2 / TiN It may be a membrane.
次にインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、説明する。図3乃至図5は、圧力発生室12の長手方向の断面図を示したものである。図3(a)に示すように、シリコン単結晶基板である流路形成基板10を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板10の表面に弾性膜50及びマスク膜51となる、酸化シリコン膜52を形成する。
図3(b)に示すように、弾性膜50となる、酸化シリコン膜52上に絶縁体膜55を形成する。すなわち、弾性膜50上にDCスパッタ法でジルコニウム(Zr)膜を形成した後、1000℃〜1100℃において熱拡散炉で熱酸化(第2の熱処理)を行い、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜である絶縁体膜55を形成する。この時、図5(1)に示すように、酸化ジルコニウム膜55の表面は凹凸になっているために、図5(2)に示すように、SOG(スピンオンガラス)組成物をスピンコートによって塗布して酸化膜55Aを形成して酸化ジルコニウム膜の表面の凹凸を酸化物で埋めた後、1000℃でN2を30分の条件でエーキングのための熱処理を行う。
Next, a method for manufacturing the ink jet recording head will be described. 3 to 5 are sectional views of the
As shown in FIG. 3B, an
次に、図5(2)から(3)に示すように、500W、圧力4Pa、CHF3を50sccm、Arを30sccm、O2を2sccmの条件で、酸化ジルコニウム膜が平坦になるまで、酸化ジルコニウム膜自体をドライエッチングする。この時、表面の凹凸がエッチングされる分を見越して、酸化ジルコニウムの膜厚を500〜600nmの厚さに形成しておく。SOGによって形成される酸化物の膜厚は、100〜300nmであることが好ましい。
Next, as shown in FIGS. 5 (2) to (3), until the zirconium oxide film becomes flat under the conditions of 500 W,
次に、例えば、白金とイリジウムとをチタン膜56E上に、DCスパッタ法で積膜することにより、図3(c)に示すように、下電極膜60を形成した後、この下電極膜60を所定形状にパターニングする。次いで、図3(d)に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなる圧電体膜70を、 記載のゾルーゲル法によって形成し、次いで、イリジウムからなる上電極膜80をDCスパッタ法によって、流路形成基板10の全面に形成する。
Next, for example, platinum and iridium are deposited on the titanium film 56E by DC sputtering to form the
次に、図4(a)に示すように、圧電体膜70及び上電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングすることで、圧電素子300を形成する。次いで、図4(b)に示すように、リード電極90を形成する。具体的には、流路形成基板10の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなる金属膜を形成した後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示しない)を介して金属膜を圧電素子300毎にパターニングすることでリード電極90が形成される。
Next, as shown in FIG. 4A, the
次いで、流路形成基板10の圧電素子300側の面に保護基板30を接着剤35によって接着した後、図4(c)に示すように、所定形状にパターニングしたマスク膜51を介して流路形成基板10の他方面を異方性エッチングすることにより圧力発生室12、インク供給路14及び連通部13を形成する。次に、保護基板30のリザーバ部32と流路形成基板10の連通部13とを連通させることで、リザーバ部32と連通部13とからなるリザーバ100を形成する。
Next, after the
流路形成基板10にマスク膜51を介してノズルプレート20を接合すると共に保護基板30上にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板10等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、インクジェット式記録ヘッドとなる。
The
このインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図6は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 This ink jet recording head constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on an ink jet recording apparatus. FIG. 6 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
The
駆動モータ6の駆動力が複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8上を搬送されるようになっている。
The driving force of the driving
液体噴射ヘッドは、既述のものに限定されるものではなく、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 The liquid ejecting head is not limited to the one described above, and can be applied to one that ejects liquid other than ink. For example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, electrodes used for forming electrodes of organic EL displays, FEDs (surface emitting displays), etc. Examples thereof include a material ejection head and a bioorganic matter ejection head used for biochip production.
本発明は、液体噴射ヘッド(インクジェット式記録ヘッド)に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できる。例えば、センサーにも適用することができる。 The present invention can be applied not only to an actuator device mounted on a liquid ejecting head (inkjet recording head) but also to an actuator device mounted on any device. For example, it can be applied to a sensor.
10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 リザーバ部、 32 圧電素子保持部、 35 接着剤膜、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 70 圧電体膜、 80 上電極膜、 100 リザーバ、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜上に酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、
前記酸化ジルコニウム膜上に、付加膜を形成する工程と、
前記付加膜が積層された酸化ジルコニウム膜を、当該酸化ジルコニウム膜が平坦になるまでエッチバックする工程と、
平坦化された前記酸化ジルコニウム膜上に下電極を形成する工程と、
前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に上電極を形成する工程と、
を備える、アクチュエータ装置の製造方法。 Method for manufacturing an actuator device, wherein an oxide film serving as a diaphragm is formed on one side of a silicon substrate, and a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode is formed in a predetermined pattern via the diaphragm In
Forming a silicon oxide film on the substrate;
Forming a zirconium oxide film on the silicon oxide film;
Forming an additional film on the zirconium oxide film;
Etching back the zirconium oxide film on which the additional film is laminated until the zirconium oxide film becomes flat;
Forming a lower electrode on the planarized zirconium oxide film;
Forming a piezoelectric film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the piezoelectric film;
A method for manufacturing an actuator device, comprising:
In addition to the step according to any one of claims 1 to 3, a step of forming a pressure generating chamber on the other surface side of the substrate, and a step of joining a nozzle plate having a nozzle opening communicating with the chamber. A method of manufacturing a liquid ejecting head.
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JP2005307707A JP2007116004A (en) | 2005-10-21 | 2005-10-21 | Process for fabricating actuator and process for manufacturing liquid ejection head |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015041650A (en) * | 2013-08-20 | 2015-03-02 | セイコーエプソン株式会社 | Method for manufacturing piezoelectric element, method for manufacturing liquid injection head, and method for manufacturing ultrasonic transducer |
-
2005
- 2005-10-21 JP JP2005307707A patent/JP2007116004A/en active Pending
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