JP2013065634A - Manufacturing method of electromechanical conversion film, electric conversion film manufactured by the same, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換膜の製造方法、該製造方法により製造した電気機械変換膜、電気機械変換素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an electromechanical conversion film, an electromechanical conversion film manufactured by the manufacturing method, an electromechanical conversion element, a droplet discharge head, and a droplet discharge apparatus.
従来、電気機械変換膜を電極で挟むように構成された電気機械変換素子は、例えばインクの液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備え、媒体を搬送しながらインク滴を用紙に付着させて画像形成を行うインクジェット記録装置で用いられている。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。 Conventionally, an electromechanical conversion element configured such that an electromechanical conversion film is sandwiched between electrodes includes, for example, a liquid discharge head that discharges ink droplets, and forms an image by adhering ink droplets to a sheet while conveying a medium. Used in an ink jet recording apparatus. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. The image forming apparatus means an apparatus for forming an image by discharging a liquid onto a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics. The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes liquid when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Use.
そして、上記インクジェット記録装置は、主として、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路室と称する液室と、該液室内のインクを吐出するための圧力発生手段とで構成されている。この圧力発生手段として、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型の圧力発生手段が知られている。このピエゾ型の圧力発生手段に使用される電気機械変換素子は、下部電極と、電気機械変換層と、上部電極とが積層したものからなる。各圧力室にインク吐出の圧力を発生させるのに個別の電気機械変換素子が配置されることになる。電気機械変換層は電気機械変換膜を形成する工程を複数回行って形成される。電気機械変換膜は例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が用いられ、これらは複数の金属酸化物を主成分としているので一般に金属複合酸化物と称される。 The ink jet recording apparatus mainly includes a nozzle that discharges ink droplets, a discharge chamber that communicates with the nozzle, a liquid chamber called a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, and an ink flow path chamber, and ink in the liquid chamber. And pressure generating means for discharging. As this pressure generating means, there is known a piezo-type pressure generating means for discharging ink droplets by deforming and displacing a vibration plate forming the wall surface of the discharge chamber using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element. . The electromechanical conversion element used for this piezoelectric type pressure generating means is formed by laminating a lower electrode, an electromechanical conversion layer, and an upper electrode. Individual electromechanical conversion elements are arranged to generate ink discharge pressure in each pressure chamber. The electromechanical conversion layer is formed by performing the process of forming the electromechanical conversion film a plurality of times. For example, lead zirconate titanate (PZT) is used as the electromechanical conversion film, and these are generally referred to as metal composite oxides because they contain a plurality of metal oxides as main components.
この電気機械変換膜の製造方法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法、レーザアブレーション法等があるが、これらのうち、ゾルの塗布、乾燥、熱分解、結晶化という工程により成膜するゾルゲル法は、結晶状態の制御性に優れている。このゾルゲル法を用いた電気機械変換膜の製造方法として、特許文献1に記載のものが知られている。この特許文献1の製造方法では、下部電極となる白金(Pt)は濡れ性が強く、下部電極の表面は親液性の特性を有する親液面となる。そして、Si基板上に白金を成膜し、この白金の表面に上記PZTの成分を含む溶液を塗布する。そのPZT溶液が塗布された表面は濡れ性が弱くなり、疎液性の特性を有する疎液面となる。そして、塗布された上記PZT溶液の膜上にフォトリソグラフィーにより所定のパターンに形成されたフォトレジストを配置し、そのフォトレジストの所定のパターンに合わせたエッチングを行う。具体的には、酸素プラズマの照射又はUV光の照射によりフォトレジストで被覆されずに剥き出しになっている上記PZT溶液の膜を除去し、フォトレジストで被覆されていた上記PZT溶液の膜は残る。その後、加工に用いたフォトレジストを取り除いてフォトレジストによって被覆されていた上記PZT溶液の膜のパターニングを完了する。以上の工程を行うことにより、下部電極上のPZT液が塗布される所定部分以外の表面を疎液面にする表面改質が行われる。 The electromechanical conversion film manufacturing method includes a sputtering method, a sol-gel method, a CVD method, a laser ablation method, and the like. The method is excellent in controllability of the crystal state. As a method for producing an electromechanical conversion film using this sol-gel method, the one described in Patent Document 1 is known. In the manufacturing method of Patent Document 1, platinum (Pt) serving as a lower electrode has high wettability, and the surface of the lower electrode becomes a lyophilic surface having lyophilic properties. Then, a platinum film is formed on the Si substrate, and a solution containing the PZT component is applied to the surface of the platinum. The surface on which the PZT solution is applied has poor wettability and becomes a lyophobic surface having lyophobic properties. Then, a photoresist formed in a predetermined pattern by photolithography is placed on the applied PZT solution film, and etching according to the predetermined pattern of the photoresist is performed. Specifically, the PZT solution film that has been exposed without being covered with the photoresist by oxygen plasma irradiation or UV light irradiation is removed, and the PZT solution film that has been coated with the photoresist remains. . Thereafter, the photoresist used for the processing is removed, and the patterning of the PZT solution film covered with the photoresist is completed. By performing the above steps, surface modification is performed so that the surface other than the predetermined portion to which the PZT liquid on the lower electrode is applied is made lyophobic.
次に、上記エッチングによって上記PZT溶液の膜が除去された下部電極上の所定部分に、電気機械変換膜を形成するための原料を含むゾルゲル液の液滴を液滴吐出ヘッドのノズルから滴下する塗布工程を行う。そして、上記所定部分に滴下された上記ゾルゲル液の膜のみにレーザ光を照射しながら走査して所定の温度での熱処理を行うレーザ光照射による熱処理工程を行う。具体的には、上記ゾルゲル液の膜が形成されたベース基板を固定し、レーザ光のスポット外輪部が所定部分に形成された上記ゾルゲル液の膜端部に沿うように、レーザ光を照射しながら走査する。あるいは、ベース基板をXY軸移動ステージ上に設置し、当該XY軸移動ステージをX軸方向−Y軸方向に移動させることによって、固定されたレーザ光の照射位置に下部電極上の所定部分を相対的に走査させて照射する。このレーザ光照射による熱処理工程では上記ゾルゲル液の膜の所定部分にレーザ光を照射すると、レーザ光の一部が上記ゾルゲル液の膜を通って下部電極にも照射される。これにより、上記ゾルゲル液の膜は、レーザ光照射による加熱及び下部電極からの熱伝導によって加熱される。そして、上記ゾルゲル液の膜を乾燥させ熱分解して結晶化させて、積層構造の電気機械変換膜を形成している。ここでのレーザ光照射による熱処理工程は、上記ゾルゲル液を乾燥させる工程、乾燥させた上記ゾルゲル液の膜を熱分解させる工程、及び熱分解された上記ゾルゲル液の膜を結晶化させる工程を含んでいる。 Next, a droplet of a sol-gel liquid containing a raw material for forming an electromechanical conversion film is dropped from a nozzle of a droplet discharge head onto a predetermined portion on the lower electrode from which the PZT solution film has been removed by the etching. A coating process is performed. Then, a heat treatment process by laser light irradiation is performed in which only the sol-gel liquid film dropped on the predetermined portion is scanned while being irradiated with laser light to perform heat treatment at a predetermined temperature. Specifically, the base substrate on which the sol-gel liquid film is formed is fixed, and the laser beam is irradiated so that the spot outer ring portion of the laser light is along the film end of the sol-gel liquid formed on a predetermined portion. Scan while. Alternatively, by placing the base substrate on the XY axis moving stage and moving the XY axis moving stage in the X axis direction-Y axis direction, the predetermined portion on the lower electrode is relatively moved to the fixed laser beam irradiation position. Irradiate with scanning. In this heat treatment step by laser light irradiation, when a predetermined portion of the sol-gel liquid film is irradiated with laser light, a part of the laser light is irradiated to the lower electrode through the sol-gel liquid film. Thereby, the film of the sol-gel solution is heated by heating by laser light irradiation and heat conduction from the lower electrode. The sol-gel solution film is dried, pyrolyzed and crystallized to form an electromechanical conversion film having a laminated structure. The heat treatment step by laser light irradiation here includes a step of drying the sol-gel solution, a step of thermally decomposing the dried sol-gel solution film, and a step of crystallizing the pyrolyzed sol-gel solution film. It is out.
しかしながら、上記特許文献1の電気機械変換膜の製造方法では、レーザ光の一部が下部電極に照射されて下部電極を加熱しているので、加熱された下部電極の熱は上記ゾルゲル液の膜に伝熱するほか、下部電極の直下層のSi基板にも拡散してしまう。このため、下部電極の温度は所望の温度まで上昇できずに上記ゾルゲル液の膜の加熱が不十分となってしまうと共に、下部電極の伝熱によってSi基板が損傷してしまう虞がある。よって、電気機械変換膜の品質が悪化するという問題点があった。 However, in the method of manufacturing the electromechanical conversion film of Patent Document 1, since the lower electrode is heated by irradiating a part of the laser light to the lower electrode, the heat of the heated lower electrode is the film of the sol-gel solution. In addition to the heat transfer, it also diffuses into the Si substrate immediately below the lower electrode. For this reason, the temperature of the lower electrode cannot be raised to a desired temperature, the heating of the sol-gel solution film becomes insufficient, and the Si substrate may be damaged by the heat transfer of the lower electrode. Therefore, there is a problem that the quality of the electromechanical conversion film is deteriorated.
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、下部電極の熱の拡散を抑制してゾルゲル液の膜の加熱効率を高めることで電気機械変換膜の品質を向上できる、電気機械変換膜の製造方法、該製造方法により製造した電気変換膜、電気機械変換素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to improve the quality of the electromechanical conversion film by suppressing the heat diffusion of the lower electrode and increasing the heating efficiency of the sol-gel liquid film. An electromechanical conversion film manufacturing method, an electroconversion film manufactured by the manufacturing method, an electromechanical conversion element, a droplet discharge head, and a droplet discharge device are provided.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、基板上に下部電極となる金属膜を成膜する成膜工程と、該金属膜上に電気機械変換膜の成分を含有するゾルゲル液を塗布する塗布工程と、レーザ光源から照射されたレーザ光によって金属膜を加熱して前記ゾルゲル液の膜に熱処理を施す熱処理工程とを有する電気機械変換膜の製造方法において、前記成膜工程では、前記基板上に前記金属膜よりも熱伝導率の低い絶縁膜を成膜し、該絶縁膜上に前記金属膜を成膜することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 includes a film forming step of forming a metal film to be a lower electrode on a substrate, and a sol-gel solution containing a component of an electromechanical conversion film on the metal film. In the method of manufacturing an electromechanical conversion film, which includes: a coating process for coating; and a heat treatment process for heating the metal film with a laser beam irradiated from a laser light source to perform a heat treatment on the film of the sol-gel solution. An insulating film having a lower thermal conductivity than the metal film is formed on the substrate, and the metal film is formed on the insulating film.
本発明において、基板と金属膜との間に設けられた絶縁膜は、レーザ光の照射によって加熱されたことによる金属膜の熱が基板に伝わることを防いでいる。このため、金属膜の熱は金属膜上に塗布されているゾルゲル液の膜のみに伝わる。これにより、ゾルゲル液の膜を所望の温度まで加熱することができる。よって、ゾルゲル液の膜の十分な加熱ができると共に基板の損傷を防ぐことで電気機械変換膜の品質を向上させることができる。 In the present invention, the insulating film provided between the substrate and the metal film prevents the heat of the metal film due to being heated by laser light irradiation from being transmitted to the substrate. For this reason, the heat of the metal film is transmitted only to the sol-gel liquid film coated on the metal film. Thereby, the film | membrane of a sol-gel liquid can be heated to desired temperature. Therefore, the film of the sol-gel solution can be sufficiently heated and the quality of the electromechanical conversion film can be improved by preventing damage to the substrate.
本発明によれば、下部電極の熱の拡散を抑制して電気機械変換膜の加熱効率を高めることで電気機械変換膜の品質を向上させることができるという効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to improve the quality of the electromechanical conversion film by suppressing the heat diffusion of the lower electrode and increasing the heating efficiency of the electromechanical conversion film.
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図1は本発明の実施形態の液滴吐出装置の一構成例を示す概略構成図である。また、図2は本実施形態の液滴吐出装置の概略透視斜視図である。両図に示す本発明の液滴吐出装置の一例であるインクジェット記録装置100は、主に、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101と、キャリッジ101に搭載した本発明を実施して製造した液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド102と、記録ヘッド102へインクを供給するインクカートリッジ103とを含んで構成される印字機構部104を有している。また、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙105を積載可能な給紙カセット106を抜き差し自在に装着することができ、また用紙105を手差しで給紙するための手差しトレイ107を開倒することができ、給紙カセット106或いは手差しトレイ107から給送される用紙105を取り込み、印字機構部104によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ108に排紙する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a droplet discharge apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view of the droplet discharge device of this embodiment. An ink
印字機構部104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109と従ガイドロッド110とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ101にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド102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101には記録ヘッド102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103を交換可能に装着している。インクカートリッジ103は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド102へインクを供給する供給口を、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記録ヘッド102へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
The
また、記録ヘッド102としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。ここで、キャリッジ101は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド109に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド110に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ111で回転駆動される駆動プーリ112と従動プーリ113との間にタイミングベルト114を張装し、このタイミングベルト104をキャリッジ101に固定しており、主走査モータ111の正逆回転によりキャリッジ101が往復駆動される。
Further, although the heads of the respective colors are used here as the recording heads 102, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used. Here, the
一方、給紙カセット106にセットした用紙105を記録ヘッド102の下方側に搬送するために、給紙カセット106から用紙105を分離給装する給紙ローラ115及びフリクションパッド116と、用紙105を案内するガイド部材117と、給紙された用紙105を反転させて搬送する搬送ローラ118と、この搬送ローラ118の周面に押し付けられる搬送コロ119及び搬送ローラ118からの用紙105の送り出し角度を規定する先端コロ120とを設けている。搬送ローラ118は副走査モータ121によってギヤ列を介して回転駆動される。そして、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ118から送り出された用紙105を記録ヘッド102の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材122を設けている。この印写受け部材122の用紙搬送方向下流側には、用紙105を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ123、拍車124を設け、さらに用紙105を排紙トレイ108に送り出す排紙ローラ125及び拍車126と、排紙経路を形成するガイド部材127、128とを配設している。
On the other hand, in order to convey the
記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド102を駆動することにより、停止している用紙105にインクを吐出して1行分を記録し、用紙105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105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105を排紙する。
At the time of recording, the
また、キャリッジ101の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド102の吐出不良を回復するための回復装置129を配置している。回復装置129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101は印字待機中にはこの回復装置129側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド102をキャッピングされ、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し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、安定した吐出性能を維持する。
Further, a
このように、このインクジェット記録装置は、本実施形態のインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて画像品質が向上する。 As described above, since the ink jet recording apparatus is equipped with the ink jet head of the present embodiment, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved. .
次に、本発明の実施形態の電気機械変換膜の製造工程について説明する。なお、本実施形態では、圧電定数d31の変形を利用した横振動(ベンドモード)型の電気機械変換膜を有する電気機械変換素子を例として説明するが、本発明はこの型の電気機械変換膜に限定されることなく適用可能である。 Next, the manufacturing process of the electromechanical conversion film according to the embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an electromechanical conversion element having a transverse vibration (bend mode) type electromechanical conversion film using deformation of the piezoelectric constant d31 will be described as an example. The present invention is an electromechanical conversion film of this type. It is applicable without being limited to.
電気機械変換膜がPZT膜の場合、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出発材料として合成したPZT前駆体溶液を用いることができる。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解した後、脱水する。化学量論的組成に対し鉛量を10[mol%]過剰にしてある。これは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である。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、上記酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と均一に混合することによりPZT前駆体溶液を合成することができる。このPZT前駆体溶液のPZT濃度は例えば0.1[mol/l]にする。 When the electromechanical conversion film is a PZT film, a PZT precursor solution synthesized using lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and normal butoxide zirconium as starting materials can be used. The crystal water of lead acetate is dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is 10 [mol%] excess with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. It is possible to synthesize PZT precursor solution by dissolving isopropoxide titanium and normal butoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and uniformly mixing with methoxyethanol solution in which lead acetate is dissolved. it can. The PZT concentration of this PZT precursor solution is, for example, 0.1 [mol / l].
また、電気機械変換膜がPZT膜の場合のPZT前駆体溶液は、非特許文献1に記載されている、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ、均一溶液として得るようにしてもよい。上記PZT前駆体溶液は「ゾルゲル液」とも呼ばれる。 The PZT precursor solution in the case where the electromechanical conversion film is a PZT film is prepared by dissolving lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds described in Non-Patent Document 1 as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent. Alternatively, a uniform solution may be obtained. The PZT precursor solution is also called “sol-gel solution”.
PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般にPZT(53/47)と示される。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物の出発材料は、この化学式に従って秤量される。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。 PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. When expressed by a chemical formula, Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , generally PZT (53/47) It is indicated. The starting materials for lead acetate, zirconium alkoxide and titanium alkoxide compounds are weighed according to this chemical formula. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。 Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there.
また、下地となる基板上の第1の電極の表面に電気機械変換膜としてのパターン化したPZT膜を得る場合、上記溶液を塗布液として液滴吐出方式で塗布することにより塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことでパターン化したPZT膜が得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100[nm]以下の膜厚が得られるようにするのが好ましい。そして、前駆体濃度は、電気機械変換膜の成膜面積とPZT前駆体溶液の塗布量との関係から適正化するように調整するのが好ましい。また、液滴吐出装置の電気機械変換素子として用いる場合、このPZT膜の膜厚は1[μm]〜2[μm]が要求される。この膜厚を得るには十数回、工程を繰り返すことになる。 Further, when obtaining a patterned PZT film as an electromechanical conversion film on the surface of the first electrode on the base substrate, a coating film is formed by applying the above solution as a coating liquid by a droplet discharge method. A patterned PZT film can be obtained by performing heat treatments of solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is preferable to obtain a film thickness of 100 [nm] or less in one step in order to obtain a crack-free film. And it is preferable to adjust so that a precursor density | concentration may be optimized from the relationship between the film-forming area of an electromechanical conversion film, and the application quantity of a PZT precursor solution. Further, when used as an electromechanical conversion element of a droplet discharge device, the thickness of the PZT film is required to be 1 [μm] to 2 [μm]. In order to obtain this film thickness, the process is repeated ten times or more.
更に、ゾルゲル法によるパターン化した電気機械変換層の形成の場合には、下地となる基板の濡れ性を制御したPZT前駆体溶液の塗り分けをする。これは、非特許文献2に示されている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ものであり、まず、基板の白金族金属の表面に、チオールのSAM(Self assembled monolayer)膜を形成する。SAM膜上はアルキル基が配置しているので、疎液性になる。このSAM膜は、例えば周知のフォトリソグラフィ・エッチングにより、フォトレジストを用いてパターニングすることができる。レジスト剥離後も、パターン化SAM膜は残っているので、この部位は疎液性になっている。一方、SAM膜が除去された部位は白金表面が露出しているため、親液性になっている。この表面エネルギーのコントラストを利用してPZT前駆体溶液の塗り分けをすることができる。本実施形態では、上記SAM膜を、PZT前駆体溶液を塗布しない領域に選択的に形成した後、以下に示すように、PZT前駆体溶液の消費量を低減することができる液滴吐出方式による塗工(インクジェット塗工)でPZT前駆体溶液を選択的に塗布している。 Further, in the case of forming a patterned electromechanical conversion layer by the sol-gel method, the PZT precursor solution in which the wettability of the base substrate is controlled is separately applied. This utilizes the phenomenon of alkanethiol self-arranged on a specific metal shown in Non-Patent Document 2, and first, a SAM (Self assembled monolayer) film of thiol on the surface of the platinum group metal of the substrate. Form. Since the alkyl group is arranged on the SAM film, it becomes lyophobic. This SAM film can be patterned using a photoresist by, for example, well-known photolithography etching. Since the patterned SAM film remains even after the resist is peeled off, this portion is lyophobic. On the other hand, the portion from which the SAM film has been removed is lyophilic because the platinum surface is exposed. Using this surface energy contrast, the PZT precursor solution can be applied separately. In the present embodiment, after the SAM film is selectively formed in a region where the PZT precursor solution is not applied, as shown below, the droplet discharge method can reduce the consumption of the PZT precursor solution. The PZT precursor solution is selectively applied by coating (inkjet coating).
図3は本発明の一実施形態に係る電気機械変換膜の形成を伴う電気機械変換素子の製造工程を示す工程断面図である。同図の(a)に示す基板11の表面(上面)には、チオールとの反応性に優れた第1の電極としての図示しない白金族金属からなる白金電極が、例えばスパッタ法により形成されている。この基板11の白金電極の表面に、同図の(b)に示すようにSAM膜12が形成される。SAM膜12は、アルカンチオール液に基板11をディップして自己配列させることで得られる。本例では、CH3(CH2)−SHのアルカンチオールの分子を一般的な有機溶媒(アルコール、アセトン、トルエンなど)に所定濃度(例えば数[mol/l])で溶解させたアルカンチオール液を用いた。このアルカンチオール液に基板11を浸漬させ、所定時間後に取り出した後、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥することにより、白金電極の表面にSAM膜12を形成することができる。次に、同図の(c)に示すように、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト13をパターン形成し、同図の(d)に示すようにドライエッチング(例えば、酸素プラズマの照射又はUV光の照射)によりSAM膜12を除去し、加工に用いたフォトレジスト13を除去してSAM膜12のパターニングを終了する。このように形成されたSAM膜12は、純水に対する接触角が例えば92度であり、疎液性を示す。一方、SAM膜12が除去されて露出した基板11の白金電極の表面は、純水に対する接触角が例えば54度であり、親液性を示す。
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an electromechanical conversion element accompanied with formation of an electromechanical conversion film according to an embodiment of the present invention. A platinum electrode made of a platinum group metal (not shown) as a first electrode excellent in reactivity with thiol is formed on the surface (upper surface) of the
次に、図3の(a)〜(d)に示す工程を行った後、PZT前駆体溶液の液滴をノズルから吐出させる液滴吐出方式、具体的には液滴吐出ヘッド14によりPZT前駆体溶液15が塗布される(図3の(e)参照)。このPZT前駆体溶液15の塗布は、疎液部であるSAM膜上にはPZT膜16が形成されず、SAM膜を除去された親液部のみにPZT膜が形成されるように行われる。最後に、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで電気機械変換膜17が得られる(図3の(f)参照)。
Next, after performing the steps shown in FIGS. 3A to 3D, a droplet discharge method in which the droplets of the PZT precursor solution are discharged from the nozzles, specifically, the PZT precursor by the
上記図3の方法では、上記図3の(a)〜(d)及び液滴吐出方式によるPZT前駆体溶液の塗布、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各熱処理を1回ずつ実行して所定膜厚の電気機械変換膜を得る場合について示したが、上記図3の(a)〜(d)、液滴吐出方式によるPZT前駆体溶液の塗布の図3の(e)、及び溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各熱処理の図3の(f)を、所定回数(2回以上)繰り返して実行して薄めに設定した電気機械変換膜を多層に重ねて形成し、所定膜厚の電気機械変換膜を得るようにしてもよい。この場合、電気機械変換膜のクラックの発生をより確実に防止できる。 In the method of FIG. 3, the heat treatments of PZT precursor solution application, solvent drying, thermal decomposition, and crystallization are performed once by (a) to (d) of FIG. As shown in the case of obtaining an electromechanical conversion film having a film thickness, (a) to (d) of FIG. 3 above, (e) of FIG. 3 of application of the PZT precursor solution by the droplet discharge method, and solvent drying, 3 (f) of the thermal decomposition and crystallization heat treatments are repeatedly performed a predetermined number of times (two or more times) to form thin electro-mechanical conversion films in multiple layers, and the electric film having a predetermined thickness is formed. A mechanical conversion film may be obtained. In this case, generation of cracks in the electromechanical conversion film can be prevented more reliably.
また、上記図3の方法では、第1の電極上のPZT前駆体溶液が塗布される所定部分以外の表面をSAM膜によって疎液面にする表面改質を行っているが、第1の電極の表面が疎液面の場合は、その第1の電極上のPZT前駆体溶液が塗布される所定部分の表面を親液面にする表面改質を行ってもよい。 Further, in the method of FIG. 3 described above, the surface modification other than the predetermined portion on which the PZT precursor solution on the first electrode is applied is made a lyophobic surface by the SAM film. When the surface is a lyophobic surface, surface modification may be performed so that the surface of a predetermined portion to which the PZT precursor solution on the first electrode is applied becomes a lyophilic surface.
上述した製造工程を15回繰り返し500[nm]の膜を得た。このとき作製された膜にクラックなどの不良は生じなかった。さらに、15回のPZT前駆体の選択塗布とレーザ照射を行い、結晶化処理をした。膜にクラックなどの不良は生じなかった。膜厚は1000[nm]に達した。このパターン化膜に上部電極(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、図4のP(分極)−E(電界強度)のヒステリシス曲線が得られた。膜の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3[μC/cm2]、抗電界は36.5[kV/cm]であり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を持っていることがわかった。また、電気−機械変換能は電界印加による変形量をレーザ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120[pm/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。この値は液体吐出ヘッドに用いる圧電素子として十分設計できうる特性値である。電極膜として白金やSrRuO3やLaNiO3などの酸化物を溶媒に溶かし、インクジェット法で塗布、レーザ照射することで圧電体層と同様に電極膜も形成することができる。 The manufacturing process described above was repeated 15 times to obtain a film of 500 [nm]. No defects such as cracks occurred in the film produced at this time. Further, selective application of the PZT precursor and laser irradiation were performed 15 times to perform crystallization treatment. Defects such as cracks did not occur in the film. The film thickness reached 1000 [nm]. An upper electrode (platinum) was formed on this patterned film, and electrical characteristics and electromechanical conversion ability (piezoelectric constant) were evaluated. As a result, a hysteresis curve of P (polarization) -E (electric field strength) in FIG. 4 was obtained. The relative dielectric constant of the film is 1220, the dielectric loss is 0.02, the remanent polarization is 19.3 [μC / cm 2 ], and the coercive electric field is 36.5 [kV / cm], which is equivalent to a normal ceramic sintered body It was found that it has the characteristics of In addition, the electromechanical conversion ability was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting it by simulation. The piezoelectric constant d31 was 120 [pm / V], which was also the same value as the ceramic sintered body. This value is a characteristic value that can be sufficiently designed as a piezoelectric element for use in a liquid discharge head. As an electrode film, an electrode film can be formed in the same manner as the piezoelectric layer by dissolving an oxide such as platinum, SrRuO 3, or LaNiO 3 in a solvent, applying the ink by an inkjet method, and irradiating with a laser.
図5は上記製造方法で製造した電気機械変換素子を用いて構成した液滴吐出ヘッドの一構成例を示す概略構成図である。図示の例では、液室基板となるシリコン基板20上に、振動板30、密着層41及び下部電極(第1の電極)42を積層し、その下部電極(第1の電極)42上の所定部分に、上記簡便な製造方法により、バルクセラミックスと同等の性能を持つ電気機械変換素子(PZT素子)43及び上部電極44をパターン化して形成することができる。その後、シリコン基板20の裏面(図中の下面)からエッチング除去工程により液室22aを形成し、ノズル孔21を有するノズル板22を接合することにより、液滴吐出ヘッド50を作製することができる。なお、図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は省略した。また、図5の液滴吐出ヘッド50は、図6に示すように複数個並べるように構成することもできる。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a droplet discharge head configured using the electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method. In the illustrated example, a
本実施形態に係るゾルゲル法による電気機械変換膜の製造方法を説明する。
図7は本実施形態の電気機械変換膜の製造工程を示す工程断面図である。同図の(a)に示すように、先ずスパッタを用いてSi基板201上にSiO2などの絶縁膜202、白金(Pt)系の下部電極膜203の順に成膜する。そして、同図の(b)に示すように、フォトリソエッチングにより電気機械変換膜をパターニングする外周部の下部電極膜203を厚み方向に部分的に除去する。次に、同図の(c)に示すように、スピンコートによりPZT前駆体のゾルゲル液を塗布し、120℃で乾燥させ、PZT前駆体膜204を形成する。同図の(d)に示すように、電気機械変換膜を形成する部分である照射範囲にレーザ光205を照射する。これにより、ゾルゲル膜が光を吸収加熱されるとともに底部のPtの下部電極膜203が加熱され、PZT前駆体膜204が結晶化される。その後、同図の(e)に示すように、希塩酸で結晶化されていないPZT前駆体膜204をエッチングすると結晶化した部分のみが残り、電気機械変換膜206が形成される。これを繰り返すことにより、膜厚が5[μm]の電気機械変換膜を得ることができる。使用するレーザ光の波長は400[nm]以上で、スポット径は、電気機械変換膜の形状が直方体であれば平面形状のいずれかの幅と略同等であることが好ましい。レーザ照射領域は、非レーザ照射領域から断熱されているため、効率良く下部電極膜203が加熱されると共に、下部電極膜203からの熱が熱伝導でPZT前駆体を乾燥、熱分解、結晶化することができる。
A method for manufacturing an electromechanical conversion film by the sol-gel method according to this embodiment will be described.
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the electromechanical conversion film of this embodiment. As shown in FIG. 2A, first, an insulating
図8は本実施形態の電気機械変換膜の別の製造工程を示す工程断面図である。同図に示す製造工程は、基板の表面改質の工程を含んだ本実施形態の電気機械変換膜の製造工程である。図7と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の(a)に示すように、先ずスパッタを用いてSi基板201上にSiO2などの絶縁膜202、白金(Pt)系の下部電極膜203の順に成膜する。そして、同図の(b)に示すように、フォトリソエッチングにより電気機械変換膜をパターニングする外周部の下部電極膜203を部分的に除去する。次に、同図の(c)に示すように、SAM膜207をアルカンチオール液に下部電極膜203をディップして自己配列させることで得られる。ここではCH3(CH2)−SHを使用した。アルカンチオールは金属上にしか自己配列しないため、SiO2が露出している部分には形成されない。同図の(d)に示すように、PZTを形成する部分のSAM膜207を除去し、必要部分のSAM膜207を保護するためにフォトリソグラフィーによりフォトレジスト208をパターニングする。そして、同図の(e)に示すように、例えば酸素プラズマ209を基板表面に照射することにより、同図の(f)に示すように、PZTを形成する部分のSAM膜107を除去する。その後フォトレジスト208を剥離する。同図の(g)、(h)に示すように、PZT前駆体のゾルゲル液を塗布し、120℃で乾燥させ、PZT前駆体膜204を形成する。同図の(i)に示すように、電気機械変換膜を形成する部分である照射範囲にレーザ光205を照射する。これにより、ゾルゲル膜が光を吸収加熱されるとともに底部のPtの下部電極膜203が加熱され、PZT前駆体膜204が結晶化される。その後、同図の(j)に示すように、電気機械変換膜206が形成される。本工程により形成されたSAM膜207の純水に対する接触角は92.2度であり疎液性を示し、SAM膜207を除去した基板上のPtの接触角は5.4度と親液性となる。本実施形態ではSAM膜207を酸素プラズマ209で除去する例を説明したが、紫外線などのレーザ照射でも良い。
FIG. 8 is a process cross-sectional view showing another manufacturing process of the electromechanical conversion film of this embodiment. The manufacturing process shown in the figure is an electromechanical conversion film manufacturing process according to the present embodiment including a substrate surface modification process. The same reference numerals as those in FIG. 7 denote the same components. As shown in FIG. 2A, first, an insulating
図9は本実施形態の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出塗布装置の構成を示す斜視図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドを搭載した図9に示す液滴吐出塗布装置60によれば、架台61の上に、Y軸駆動手段62が設置してあり、その上に基板63を搭載するステージ64がY軸方向に駆動できるように設置されている。ステージ64には図示されていない真空、静電気などの吸着手段が付随して設けられており、基板63が固定されている。また、X軸支持部材65にはX軸駆動手段66が取り付けられており、これにZ軸駆動手段67上に搭載されたヘッドベース68が取り付けられており、X軸方向に移動できるようになっている。ヘッドベース68の上には液体を吐出させる液滴吐出ヘッド69が搭載されている。この液滴吐出ヘッド69には図示されていない液体タンクから供給用パイプ70を介して液体(PZT前駆体溶液)が供給される。更に、図示していない、レーザーヘッドが液滴吐出ヘッド69に隣接して配されており、X軸駆動手段を共有することにより液滴吐出ヘッド69と同期した駆動を行う。図7の(h)に示すように、PZT前駆体の溶液を図9の液滴吐出ヘッド69で塗布すると、PZTパターンはSAM膜207が形成されていないSiO2などの絶縁膜202の領域まで広がり、その後レーザ光205によって乾燥と結晶化が行われる。この時のレーザ照射領域は30ミクロン径であり、スキャンしてパターン上全面に照射した。レーザ光205による加熱領域はSiO2などの絶縁膜202が断熱層となり、塗布領域下部の島状のPt領域となり効率的に加熱される。また、PZTパターン部以外に形成されたSAM膜207は200℃以上でダメージを受けるが、加熱領域がPZTパターン部のみのためダメージを受けない。そのため、PZT前駆体の溶液の塗布とレーザ照射を繰り返すのみで、所定の領域に所定の膜厚の電気機械変換膜を形成することが可能となる。
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of a droplet discharge coating apparatus equipped with the droplet discharge head of this embodiment. According to the droplet
本実施形態で用いた絶縁膜はSiO2であるが材料は限定されるものではない。ただし、Ptとの熱伝導率の差が大きいほど効率は良く、SiO2は7[W/M・℃]とPtの70[W/M・℃]の1/10であった。そのときの膜厚は、SiO2が1[μm]、Ptは0.2[μm]であった。溶液は出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、ノルマルブトキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を10[mol%]過剰にしてある。これは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である。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、先記の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前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.1[mol/l]にした。一度の成膜で得られる膜厚は100[nm]が好ましく、前駆体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。接触角のコントラストのため前駆体溶液は親水部にのみ広がりパターンを形成する。これを第一の加熱(溶媒乾燥)として120℃処理後、有機物の熱分解を行い90[nm]の膜厚を得た。この加熱工程をレーザ照射で行う。ここで、波長980[nm]の半導体レーザでスポット径がPZTを形成する幅よりも広いスポット径を持つ。引き続きインクジェット塗布装置によりPZT前駆体を塗布する。このときの膜厚は180[nm]であった。これをレーザ照射によりLaNiO3を加熱し、間接的にPZT前駆体を乾燥させる。ここで、波長980[nm]に対するLaNiO3の光吸収率はおよそ60%であり、Ptの光吸収率はおよそ20%であるため、Ptはほとんど温度上昇することがないため、Pt上の撥水膜も除去されない。乾燥後のPZT前駆体の膜厚は90[nm]であった。これらの工程を6回繰り返し540[nm]の膜を得たのち、熱分解処理を行った。膜にクラックなどの不良は生じなかった。さらに、6回のPZT前駆体の選択塗布、そして乾燥を行い、レーザ照射により結晶化処理をした。膜にクラックなどの不良は生じなかった。膜厚は1000[nm]に達した。これらのレーザによる加熱工程において、SAM膜は除去されることなく、最後まで水に対する接触角は90°以上を保っていた。そして、SAM膜をホットプレート加熱により除去し、このPZTパターン化膜に上部電極(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。 The insulating film used in this embodiment is SiO 2 , but the material is not limited. However, the greater the difference in thermal conductivity with Pt, the better the efficiency, and SiO 2 was 7 [W / M · ° C.] and 1/10 of Pt 70 [W / M · ° C.]. The film thickness at that time was 1 [μm] for SiO 2 and 0.2 [μm] for Pt. The solution used was lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and normal butoxide zirconium as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is 10 [mol%] excess with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. PZT precursor solution was synthesized by dissolving isopropoxide titanium and normal butoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and mixing with methoxyethanol solution in which lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.1 [mol / l]. The film thickness obtained by one film formation is preferably 100 [nm], and the precursor concentration is optimized from the relationship between the film formation area and the amount of applied precursor. Due to the contact angle contrast, the precursor solution spreads only in the hydrophilic part and forms a pattern. This was treated as a first heating (solvent drying) at 120 ° C., and then the organic substance was thermally decomposed to obtain a film thickness of 90 [nm]. This heating step is performed by laser irradiation. Here, the spot diameter of the semiconductor laser having a wavelength of 980 [nm] is wider than the width for forming the PZT. Subsequently, the PZT precursor is applied by an inkjet coating apparatus. The film thickness at this time was 180 [nm]. The LaNiO 3 is heated by laser irradiation to indirectly dry the PZT precursor. Here, the light absorption rate of LaNiO 3 with respect to the wavelength of 980 [nm] is about 60%, and the light absorption rate of Pt is about 20%. The water film is not removed. The film thickness of the PZT precursor after drying was 90 [nm]. These steps were repeated 6 times to obtain a film having a thickness of 540 [nm], followed by thermal decomposition treatment. Defects such as cracks did not occur in the film. Furthermore, selective application and drying of the PZT precursor 6 times were performed, and crystallization treatment was performed by laser irradiation. Defects such as cracks did not occur in the film. The film thickness reached 1000 [nm]. In the heating process using these lasers, the SAM film was not removed, and the contact angle with water was maintained at 90 ° or more until the end. Then, the SAM film was removed by hot plate heating, and an upper electrode (platinum) was formed on the PZT patterned film, and electrical characteristics and electro-mechanical conversion ability (piezoelectric constant) were evaluated.
また、PZT膜の結晶化を行うレーザの照射領域をPZTパターン形成領域と同等の形状にすることによりPZTの加熱時の昇温レートが高まり、膜質の向上を図ることができる。図10にパターン形状と同等領域のレーザ照射を行う概要図を示す。本実施形態では0.05×1[mm]のPZTパターンと同等の照射領域となるようにレーザ光源300の光学系を設計し、パターンの並び方向に移動させながらシャッターの開閉によりパターン部となるPZT前駆体膜204の部分のみにレーザ光を照射し、高速処理が実現できた。シャッターの開閉を行わずにレーザ光の走査を行ってもかまわない。更に、本実施形態の変形例として図11に示すように、下部電極203の接続方法ととして基板201上に導電性膜210を成膜し、この導電性膜210と下部電極203はスルーホールで接続部分211で電気的に接続される。これにより、各下部電極203が共通に電気的に接続されることになる。この場合、接続部分の下部電極203との接続面積を極力小さくすれば下部電極203の熱が接続部分211を介して導電性膜210に伝わることを最小限に抑えられる。
In addition, by setting the laser irradiation region for crystallization of the PZT film to the same shape as the PZT pattern formation region, the rate of temperature rise during heating of the PZT is increased, and the film quality can be improved. FIG. 10 shows a schematic diagram for performing laser irradiation in an area equivalent to the pattern shape. In this embodiment, the optical system of the
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
成膜工程では、基板上に金属膜よりも熱伝導率の低い絶縁膜を成膜し、該絶縁膜上に金属膜を成膜する。これによれば、上記実施形態について説明したように、Si基板201と下部電極膜203との間に設けられた絶縁膜202は、レーザ光照射によって加熱されたことによる下部電極膜203の熱がSi基板201に伝わることを防いでいる。そして、下部電極膜203の熱はほぼ全て下部電極膜203上に塗布されているPZT前駆体膜204のみに伝わる。これにより、PZT前駆体膜204を所望の温度まで加熱することができる。よって、電気機械変換膜への十分な加熱ができることで電気機械変換膜の品質を向上することができる。
(態様B)
(態様A)において、ゾルゲル液の外周部に対応する部分の金属膜を厚み方向にエッチングし、当該エッチング部分から絶縁膜を露出させる。これによれば、上記実施形態について説明したように、加熱されたことによる下部電極膜203の熱は下部電極膜203の外周部を介してもPZT前駆体膜204に伝わる。これにより、PZT前駆体膜204を所望の温度まで効率良く加熱することができる。よって、電気機械変換膜への十分な加熱ができることで電気機械変換膜の品質を向上することができる。
(態様C)
(態様A)又は(態様B)において、金属膜上に選択的に撥液膜を形成する工程を有し、塗布工程では金属膜上にゾルゲル液を液滴吐出ヘッドにより選択的に吐出する。これによれば、上記実施形態について説明したように、所定の部分に電気機械変換膜の成分溶液を塗布することができる。
(態様D)
(態様A)〜(態様C)のいずれかにおいて、塗布工程及び熱処理工程を繰り返し、所望の膜厚の電気機械変換膜を製造する。これによれば、上記実施形態について説明したように、一つの層における電気機械変換膜の品質を向上させることで多層の電気機械変換膜の品質も向上でき、信頼の高い所望の膜厚の電気機械変換膜を提供できる。
(態様E)
(態様A)において、絶縁膜の熱伝導率が金属膜の熱伝導率の1/10以下である。これによれば、上記実施形態について説明したように、レーザ光照射によって加熱されたことによる下部電極膜203の熱がSi基板201に伝わることを防ぐことができる。
(態様F)
(態様B)において、レーザ光源から照射されたレーザ光の照射径が絶縁膜の露出部分の幅と略同である。これによれば、上記実施形態について説明したように、簡単にレーザ光を照射するだけでよく、高精度なレーザ光源や走査装置が不要となり、製造コストを低く抑えられる。
(態様G)
(態様A)〜(態様F)のいずれかの電気機械変換膜の製造方法を用いて、基板上に絶縁膜、金属膜を順に成膜し、該金属膜上に電気機械変換膜の成分を含有するゾルゲル液を塗布し、レーザ光源から照射されたレーザ光によって金属膜を加熱してゾルゲル液に熱処理を施して製造した。これによれば、上記実施形態について説明したように、高品質の電気機械変換素子を製造できる。
(態様H)
(態様G)の電気機械変換膜を挟むように上部電極となる別の金属膜を配置する。これによれば、上記実施形態について説明したように、高品質の電気機械変換素子を製造できる。
(態様I)
(態様H)の電気機械変換素子を備えている。これによれば、上記実施形態について説明したように、高品質の液滴吐出ヘッドを製造できる。
(態様J)
(態様I)の液滴吐出ヘッドを備えている。これによれば、上記実施形態について説明したように、安定した吐出性能を行うことができる液滴吐出装置を提供できる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has a specific effect for each of the following modes.
(Aspect A)
In the film forming step, an insulating film having a lower thermal conductivity than the metal film is formed on the substrate, and the metal film is formed on the insulating film. According to this, as described in the above embodiment, the insulating
(Aspect B)
In (Aspect A), a portion of the metal film corresponding to the outer peripheral portion of the sol-gel solution is etched in the thickness direction, and the insulating film is exposed from the etched portion. According to this, as described in the above embodiment, the heat of the
(Aspect C)
(Aspect A) or (Aspect B) includes a step of selectively forming a liquid repellent film on the metal film, and in the coating step, a sol-gel liquid is selectively discharged onto the metal film by a droplet discharge head. According to this, as described in the above embodiment, the component solution of the electromechanical conversion film can be applied to a predetermined portion.
(Aspect D)
In any one of (Aspect A) to (Aspect C), the coating process and the heat treatment process are repeated to produce an electromechanical conversion film having a desired film thickness. According to this, as described in the above embodiment, the quality of the multi-layer electromechanical conversion film can be improved by improving the quality of the electromechanical conversion film in one layer, and the electric film having a reliable and desired film thickness can be improved. A mechanical conversion film can be provided.
(Aspect E)
In (Aspect A), the thermal conductivity of the insulating film is 1/10 or less of the thermal conductivity of the metal film. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to prevent the heat of the
(Aspect F)
In (Aspect B), the irradiation diameter of the laser light emitted from the laser light source is substantially the same as the width of the exposed portion of the insulating film. According to this, as described in the above embodiment, it is only necessary to simply irradiate laser light, and a highly accurate laser light source and scanning device are not required, and the manufacturing cost can be kept low.
(Aspect G)
Using the method for producing an electromechanical conversion film according to any one of (Aspect A) to (Aspect F), an insulating film and a metal film are sequentially formed on a substrate, and the components of the electromechanical conversion film are formed on the metal film. The sol-gel liquid contained was applied, and the metal film was heated by laser light irradiated from a laser light source to heat-treat the sol-gel liquid. According to this, as explained about the above-mentioned embodiment, a high quality electromechanical transducer can be manufactured.
(Aspect H)
Another metal film serving as an upper electrode is disposed so as to sandwich the electromechanical conversion film of (Aspect G). According to this, as explained about the above-mentioned embodiment, a high quality electromechanical transducer can be manufactured.
(Aspect I)
The electromechanical transducer of (Aspect H) is provided. According to this, as described in the above embodiment, a high-quality liquid droplet ejection head can be manufactured.
(Aspect J)
The droplet discharge head of (Aspect I) is provided. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to provide a droplet discharge device capable of performing stable discharge performance.
50 液滴吐出ヘッド
60 液滴吐出塗布装置
100 インクジェット記録装置
201 Si基板
202 絶縁膜
203 下部電極膜
204 PZT前駆体膜
205 レーザ光
206 電気機械変換膜
207 SAM膜
208 フォトレジスト
209 酸素プラズマ
210 導電性膜
211 接続部分
300 レーザ光源
50 Liquid
Claims (10)
前記成膜工程では、前記基板上に前記金属膜よりも熱伝導率の低い絶縁膜を成膜し、該絶縁膜上に前記金属膜を成膜することを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 A film forming process for forming a metal film serving as a lower electrode on the substrate, a coating process for applying a sol-gel liquid containing a component of an electromechanical conversion film on the metal film, and laser light emitted from a laser light source In a method for producing an electromechanical conversion film, comprising a heat treatment step of heating a metal film to heat-treat the sol-gel solution film,
In the film forming step, an insulating film having a lower thermal conductivity than the metal film is formed on the substrate, and the metal film is formed on the insulating film. Method.
前記ゾルゲル液の外周部に対応する部分の前記金属膜を厚み方向にエッチングし、当該エッチング部分から前記絶縁膜を露出させることを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 In the manufacturing method of the electromechanical conversion film according to claim 1,
A method of manufacturing an electromechanical conversion film, comprising etching the metal film at a portion corresponding to an outer peripheral portion of the sol-gel liquid in a thickness direction to expose the insulating film from the etched portion.
前記金属膜上に選択的に撥液膜を形成する工程を有し、前記塗布工程では前記金属膜上に前記ゾルゲル液を液滴吐出ヘッドにより選択的に吐出することを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 In the manufacturing method of the electromechanical conversion film according to claim 1 or 2,
An electromechanical conversion comprising: a step of selectively forming a liquid repellent film on the metal film, wherein the sol-gel liquid is selectively discharged onto the metal film by a droplet discharge head in the application step. A method for producing a membrane.
前記塗布工程及び前記熱処理工程を繰り返し、所望の膜厚の電気機械変換膜を製造することを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 In the manufacturing method of the electromechanical conversion film according to any one of claims 1 to 3,
An electromechanical conversion film manufacturing method comprising manufacturing the electromechanical conversion film having a desired film thickness by repeating the coating step and the heat treatment step.
前記絶縁膜の熱伝導率が前記金属膜の熱伝導率の1/10以下であることを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 In the manufacturing method of the electromechanical conversion film according to claim 1,
The method of manufacturing an electromechanical conversion film, wherein the thermal conductivity of the insulating film is 1/10 or less of the thermal conductivity of the metal film.
前記レーザ光源から照射されたレーザ光の照射径が前記絶縁膜の露出部分の幅と略同であることを特徴とする電気機械変換膜の製造方法。 In the manufacturing method of the electromechanical conversion film according to claim 2,
A method for producing an electromechanical conversion film, wherein an irradiation diameter of laser light emitted from the laser light source is substantially the same as a width of an exposed portion of the insulating film.
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