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JP5058717B2 - Liquid discharge head and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

本発明は、液体に外部からエネルギを加えることによって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。本発明に係る液体吐出ヘッドは、紙、布、革、不織布、OHPシート等に印刷するインクジェット記録ヘッドや、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能である。以下、代表的にインクジェット記録ヘッドについて説明する。   The present invention relates to a liquid discharge head that discharges a desired liquid by applying energy from the outside to the liquid and a method for manufacturing the same. The liquid discharge head according to the present invention can be applied to an ink jet recording head that prints on paper, cloth, leather, nonwoven fabric, OHP sheet, etc., a patterning device that applies liquid to a solid material such as a substrate or a plate, a coating device, and the like. is there. Hereinafter, the ink jet recording head will be described as a representative.

パソコンの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタが、印字性能が良く、低コストなので広く利用されるようになっている。このインクジェット記録装置には、熱エネルギによってインクに気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等が開発されている。   Printers using an ink jet recording apparatus as a printing apparatus for personal computers are widely used because of their good printing performance and low cost. In this ink jet recording apparatus, bubbles are generated in ink by heat energy, ink droplets are ejected by pressure waves caused by the bubbles, ink droplets are sucked and discharged by electrostatic force, pressure by a vibrator such as a piezoelectric element, etc. Those using waves have been developed.

上記インクジェット記録装置のうち、圧電素子を用いたものは、インク吐出口に連通したインク流路と、そのインク流路に連通した圧力発生室とを有する。そして、この圧力発生室に設けられ、圧電体薄膜が接合された振動板膜圧電体薄膜に所定の電圧を印加すると、圧電体薄膜が伸縮する。この圧電体薄膜の伸縮によって、圧電体薄膜と振動板膜とが一体となって振動を起こして圧力発生室内のインクが加圧されて圧縮され、それによりインク吐出口からインク液滴が吐出するような構成である。   Among the above-described ink jet recording apparatuses, those using piezoelectric elements have an ink flow path communicating with an ink discharge port and a pressure generating chamber communicated with the ink flow path. When a predetermined voltage is applied to the diaphragm film piezoelectric thin film provided in the pressure generating chamber and joined with the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film expands and contracts. The expansion and contraction of the piezoelectric thin film causes the piezoelectric thin film and the diaphragm film to vibrate together to pressurize and compress the ink in the pressure generating chamber, thereby ejecting ink droplets from the ink ejection openings. This is the configuration.

このようなインクジェット記録ヘッドにおいては、近年の画像形成の高精細化の要求に伴い、流路基板のインク圧力室、及び圧電素子等の圧力発生源を高密度かつ多数配列した高集積化が行われている。   In such an ink jet recording head, with the recent demand for higher definition of image formation, higher integration is achieved by arranging a large number of pressure source sources such as ink pressure chambers of a flow path substrate and piezoelectric elements. It has been broken.

これらの要求に応えるため、ピエゾ型のインクジェット記録ヘッドにおいては、例えば振動板の全面に成膜技術により電極や圧電体を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてインク圧力室に対応した電極や圧電体を加工するものが提案されている。成膜技術とフォトリソグラフィ技術を用いることにより高密度なインクジェット記録ヘッドが実現されている。また流路基板やオリフィスプレートにSi基板や金属部材を用いることで高精度な流路や吐出口の形成が可能となっている。   In order to meet these demands, in a piezo-type ink jet recording head, for example, an electrode or a piezoelectric body is formed on the entire surface of the vibration plate by a film forming technique, and an electrode or a piezoelectric body corresponding to the ink pressure chamber using a photolithography technique. The one which processes is proposed. A high-density ink jet recording head is realized by using a film forming technique and a photolithography technique. Further, by using a Si substrate or a metal member for the flow path substrate or the orifice plate, it is possible to form a highly accurate flow path or discharge port.

一般的に、圧電体は各々のインク圧力室に対応しインク圧力室幅より狭い幅になるよう加工される。インク圧力室に対応しない圧電体はすべて除去される。またこれらの圧電体の加工は、近年、塩素系ガス等を用いたドライエッチング技術が導入されている。フッ酸や酸系の溶液でのウエットエッチングに比べてエッチングレートやエッチング形状が制御しやすく、高精度な加工が可能となっている。   Generally, the piezoelectric body is processed so as to correspond to each ink pressure chamber and to have a width narrower than the width of the ink pressure chamber. Any piezoelectric material that does not correspond to the ink pressure chamber is removed. In recent years, a dry etching technique using a chlorine-based gas or the like has been introduced to process these piezoelectric bodies. Compared with wet etching with hydrofluoric acid or an acid-based solution, the etching rate and etching shape are easy to control, and high-precision processing is possible.

圧電素子の絶縁耐圧を向上させる方法として、特許文献1では、Pb含有ペロブスカイト材料と非Pb含有ペロブスカイト材料を積層させる技術が開示されている。また、特許文献2には、圧電体層を階段状に形成して、下電極を覆うようにして保護する技術が開示されている。   As a method for improving the withstand voltage of a piezoelectric element, Patent Document 1 discloses a technique of laminating a Pb-containing perovskite material and a non-Pb-containing perovskite material. Patent Document 2 discloses a technique for protecting a lower electrode by forming a piezoelectric layer in a step shape.

また、特許文献3においては、圧電素子から外部へ引き出される電極の上電極と下電極の間に層間絶縁層を入れることにより、圧電体層の破壊を防ぐ技術が開示されている。
特開平2004−186574号公報 特開平9−277519号公報 特開2000−37868号公報
Patent Document 3 discloses a technique for preventing destruction of a piezoelectric layer by inserting an interlayer insulating layer between an upper electrode and a lower electrode of an electrode drawn out from a piezoelectric element.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-186574 JP-A-9-277519 JP 2000-37868 A

ドライエッチング法による圧電体の加工の際、下電極がパターニングされていない構成の場合は下電極がエッチングストップ層となる。このような構成で圧電体の加工を行うと下電極も僅かながらエッチングされることとなる。特に下電極にPt電極を用いている場合は、圧電体加工に用いる塩素ガスでPt表面をたたき相当量のPt電極がエッチングされてしまう。   When processing the piezoelectric body by the dry etching method, if the lower electrode is not patterned, the lower electrode serves as an etching stop layer. When the piezoelectric body is processed in such a configuration, the lower electrode is also etched slightly. In particular, when a Pt electrode is used as the lower electrode, a considerable amount of the Pt electrode is etched by hitting the Pt surface with chlorine gas used for piezoelectric processing.

特に圧電体としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のような難エッチング材料を用いる場合には、スパッタ的要素が強いエッチング条件を使うことが多い。この際、圧電体のエッチングの際に下電極が露出してしまうと、下電極材料がスパッタされ、加工された圧電体の端面に付着することがある。圧電体端面に金属が付着すると上下電極間のショートや圧電体薄膜の破壊を引き起こす原因となる。   In particular, when a difficult-to-etch material such as lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric body, etching conditions with strong sputter-like elements are often used. At this time, if the lower electrode is exposed during the etching of the piezoelectric body, the lower electrode material may be sputtered and adhere to the end face of the processed piezoelectric body. If metal adheres to the end face of the piezoelectric body, it may cause a short circuit between the upper and lower electrodes and destruction of the piezoelectric thin film.

また駆動部となる圧電体薄膜近傍の下電極が露出していると、駆動中に上下電極間でショートが生じたり、電極や圧電体薄膜の破壊を招く原因になるという問題点がある。   Further, if the lower electrode in the vicinity of the piezoelectric thin film serving as the drive unit is exposed, there is a problem that a short circuit occurs between the upper and lower electrodes during driving, or the electrode and the piezoelectric thin film are destroyed.

さらに、圧電体は一般的に高い誘電率を有するため、素子としての静電容量が大きく、駆動波形に対する応答速度が遅く、精密な吐出のための駆動波形に追随しきれない場合がある。特に配線のための引出部分に於ける静電容量は本質的に不要であり、低減することを求められている。   Furthermore, since the piezoelectric body generally has a high dielectric constant, the capacitance as the element is large, the response speed to the drive waveform is slow, and the drive waveform for precise ejection may not be able to follow. In particular, the capacitance at the lead-out portion for wiring is essentially unnecessary, and there is a need to reduce it.

そこで、本発明の目的は前記課題を解決し、電極や圧電体の破壊や上下電極間のショートの発生が抑制された、信頼性が高く、また高速応答が可能で精密な吐出制御が可能な液体吐出ヘッド及びその製造方法の提供を目的とする。   Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, suppress the breakdown of electrodes and piezoelectric bodies and the occurrence of shorts between the upper and lower electrodes, have high reliability, enable high-speed response, and enable precise discharge control. It is an object of the present invention to provide a liquid discharge head and a manufacturing method thereof.

本発明の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための複数の圧力室と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられた液体吐出ヘッドであって、少なくとも前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた前記下電極をすべて覆う絶縁体層が形成されており、前記絶縁体層のうちの、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた部分の厚さは、前記絶縁体層のうちの、前記圧電体層に対応する領域に設けられた部分の厚さより薄いことを特徴とする。
The liquid discharge head of the present invention is
A plurality of pressure chambers that communicate with a discharge port that discharges the liquid and pressurizes the liquid; a lower electrode that is provided corresponding to each of the plurality of pressure chambers and stacked in order from the pressure chamber side; and a piezoelectric body A plurality of piezoelectric elements each having a layer and an upper electrode, wherein the lower electrode is provided in a corresponding region between the plurality of pressure chambers, wherein at least the plurality of pressure chambers An insulator layer that covers all of the lower electrode provided in a region corresponding to each other is formed, and provided in a region corresponding to the space between the plurality of pressure chambers in the insulator layer. The thickness of the portion is smaller than the thickness of the portion provided in the region corresponding to the piezoelectric layer in the insulator layer .

更に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、
液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための複数の圧力室と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する複数の圧電素子と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を絶縁体層がすべて覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記下電極の上に絶縁体層を形成する工程と、前記絶縁体層の上に前記圧電体層の材料層を形成する工程と、前記圧電体層の材料層のうちの、前記複数の圧力室同士の間に対応する部分をエッチングして前記複数の圧電体層を形成するとともに、前記絶縁体層のうちの、前記複数の圧力室の間に対応する領域に設けられた部分を露出させ、該部分の厚さを、前記絶縁体層のうちの、前記圧電体層に対応する領域に設けられた部分の厚さよりも薄くする工程と、を含むことを特徴とする。
Furthermore, the manufacturing method of the liquid discharge head of the present invention includes:
A plurality of pressure chambers that communicate with a discharge port that discharges the liquid and pressurizes the liquid; a lower electrode that is provided corresponding to each of the plurality of pressure chambers and stacked in order from the pressure chamber side; and a piezoelectric body includes a plurality of piezoelectric element having a layer and the upper electrode, wherein the plurality of the lower electrode to the corresponding region between the adjacent pressure chambers is provided, an insulating the lower electrode provided in at least the region A method of manufacturing a liquid ejection head that is entirely covered by a body layer, the step of forming an insulator layer on the lower electrode, and the step of forming a material layer of the piezoelectric layer on the insulator layer; Of the material layer of the piezoelectric layer, a portion corresponding to the space between the plurality of pressure chambers is etched to form the plurality of piezoelectric layers, and the plurality of pressures of the insulator layer Exposing portions provided in corresponding areas between the chambers; The thickness, out of said insulator layer, characterized in that it comprises a a step of less than the thickness of the portion provided in a region corresponding to the piezoelectric layer.

以上述べたように本発明によれば、液体吐出ヘッドの加工時に不純物が圧電体側壁に付着することが無くなり、また上下電極間の耐圧が向上し、歩留まり良く耐久性の高くなる。さらに、信頼性が高く、また高速応答が可能で精密な吐出制御が可能な液体吐出ヘッドが得られる。   As described above, according to the present invention, impurities are not attached to the side wall of the piezoelectric body during the processing of the liquid discharge head, and the withstand voltage between the upper and lower electrodes is improved, resulting in high yield and high durability. Further, it is possible to obtain a liquid ejection head that is highly reliable and capable of high-speed response and capable of precise ejection control.

[第1の実施形態]
図1は本実施形態の液体吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはSiウエハが用いられる。Si基板101上に、SiO2層(ボックス層)102、振動板としてSi単結晶層(SOI層)103、SiO2層104、圧電素子として下電極105、絶縁体層(以下、「絶縁層」とも称す)106、圧電体層109、上電極108が順次形成されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an ink jet recording head as a liquid ejection head of this embodiment. A Si wafer is used as the substrate. On a Si substrate 101, a SiO 2 layer (box layer) 102, a Si single crystal layer (SOI layer) 103 as a diaphragm, a SiO 2 layer 104, a lower electrode 105 as a piezoelectric element, an insulator layer (hereinafter referred to as “insulating layer”) 106, a piezoelectric layer 109, and an upper electrode 108 are sequentially formed.

絶縁層106としては、Al23、AlN、Si34、SiO2、MgO、Ta25、SiC、YSZ、ZrO2、HfAlO、HfO2などの高温に耐えうる電気的に絶縁性の高い膜が用いられる。また絶縁層106は、圧電体層107と積層されたときに圧電体層107の方に大きい電界強度がかかるように、誘電率が圧電体層107より高い方が望ましい。更に絶縁層106は、エッチングストップ層として用いられるので、圧電体層107より被エッチング速度が高いことが望ましい。加えて絶縁層106は、薄ければ薄いほど電圧がかからないので望ましいが、膜として成り立って強電界で破壊されない程度の膜厚をもつことが望まれる。具体的には、膜厚は20〜200nmが望ましく、40〜200nmがより望ましい。 The insulating layer 106 is electrically insulative capable of withstanding high temperatures such as Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , SiO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , SiC, YSZ, ZrO 2 , HfAlO, HfO 2, etc. A high film is used. The insulating layer 106 preferably has a higher dielectric constant than that of the piezoelectric layer 107 so that a larger electric field strength is applied to the piezoelectric layer 107 when laminated on the piezoelectric layer 107. Furthermore, since the insulating layer 106 is used as an etching stop layer, it is desirable that the etching rate be higher than that of the piezoelectric layer 107. In addition, the thinner the insulating layer 106 is, the smaller the voltage is not applied, but it is desirable that the insulating layer 106 be formed as a film and have a film thickness that is not destroyed by a strong electric field. Specifically, the film thickness is desirably 20 to 200 nm, and more desirably 40 to 200 nm.

圧電体層107としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、リラクサ系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を持つ圧電体が用いられる。   As the piezoelectric layer 107, a piezoelectric body having a perovskite structure mainly composed of lead zirconate titanate, relaxor, or barium titanate is used.

基板101には振動板の下にインク圧力室111を形成するためにエッチングによって穴が空けられている。さらに、オリフィス用Si基板113を貼り合わせ、インク圧力室111に合わせてインク吐出口112が形成されている。   A hole is formed in the substrate 101 by etching in order to form the ink pressure chamber 111 under the vibration plate. Further, an orifice Si substrate 113 is bonded, and an ink discharge port 112 is formed in accordance with the ink pressure chamber 111.

インクを加圧するためのインク圧力室111は、エッチングと貼り合わせを組み合わせて作製され、有効にインクに吐出力を待たせられるものであれば、構造はここに記したものに限らない。   The structure of the ink pressure chamber 111 for pressurizing the ink is not limited to the one described here as long as the ink pressure chamber 111 is manufactured by combining etching and pasting and can effectively wait for the ink to discharge.

振動板は、インク圧力室111、インク圧力室111を区切る隔壁及び隔壁上に形成されている。また、絶縁層106は、隣接する圧電素子間の隔壁上にも形成されている。すなわち、絶縁層106は複数のインク圧力室同士の間に対応する領域に設けられた下電極105をすべて覆うように形成されている。   The vibration plate is formed on the ink pressure chamber 111, a partition partitioning the ink pressure chamber 111, and the partition. The insulating layer 106 is also formed on the partition between adjacent piezoelectric elements. That is, the insulating layer 106 is formed so as to cover all the lower electrodes 105 provided in the corresponding regions between the plurality of ink pressure chambers.

また、図2のように下電極上の絶縁体層106に加えて、絶縁体層106が上電極108の下に位置してもかまわない。図2は別の実施形態の記録ヘッドの長手方向の断面模式図である。本実施形態では、図中に示す配線部において上電極108の下にも絶縁層106を設けている。この構成により、下電極105と上電極108間のショートの発生防止をより確実にするとともに、配線部の静電容量を大幅に低減することができる。   In addition to the insulator layer 106 on the lower electrode, the insulator layer 106 may be positioned below the upper electrode 108 as shown in FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in the longitudinal direction of a recording head according to another embodiment. In this embodiment, the insulating layer 106 is also provided below the upper electrode 108 in the wiring portion shown in the drawing. With this configuration, it is possible to more reliably prevent occurrence of a short circuit between the lower electrode 105 and the upper electrode 108 and to significantly reduce the capacitance of the wiring portion.

次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセス例を図3Aおよび図3Bを用いて順を追って説明する。
(1)SOI層103を有するシリコン基板101に、熱酸化処理により熱酸化膜(SiO2層)104を形成する。
(2)この熱酸化膜104の上に、下電極105としてPt/Tiをスパッタ法などで成膜し、さらにその上にLPCVD法、スパッタ法などにより、絶縁膜106を堆積する。下電極105の厚さは、300〜1000Å、絶縁層106の厚さは1000Å〜1μm程度である。
(3)絶縁膜106の上に、スパッタやCVD等の方法でチタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分とした薄膜を堆積し、600〜800℃で焼成し圧電体層107の材料層とする。圧電体層107上に、Pt/Tiなどの金属を堆積し、パターニングして上層電極108を形成する。
(4)圧電体層107をエッチングして圧電体素子109を形成する。この際に、ドライエッチング法で絶縁層106をエッチングストップ層に用いる。絶縁層106をエッチングストップ層に用いることによって、下電極105のPt/Tiなどがオーバーエッチされてしまい圧電体素子109の端面に付着してしまう、といったことが防止できる。このドライエッチングによって少なくとも圧電素子同士の間の部分の絶縁体層が露出する。
Next, a process example of the ink jet recording head according to the present invention will be described step by step with reference to FIGS. 3A and 3B.
(1) A thermal oxide film (SiO 2 layer) 104 is formed on a silicon substrate 101 having an SOI layer 103 by thermal oxidation treatment.
(2) On this thermal oxide film 104, Pt / Ti is formed as a lower electrode 105 by sputtering or the like, and an insulating film 106 is further deposited thereon by LPCVD or sputtering. The lower electrode 105 has a thickness of 300 to 1000 mm, and the insulating layer 106 has a thickness of about 1000 to 1 μm.
(3) A thin film mainly composed of lead zirconate titanate or barium titanate is deposited on the insulating film 106 by a method such as sputtering or CVD, and fired at 600 to 800 ° C. to form the piezoelectric layer 107. The material layer. A metal such as Pt / Ti is deposited on the piezoelectric layer 107 and patterned to form the upper layer electrode 108.
(4) The piezoelectric layer 107 is etched to form the piezoelectric element 109. At this time, the insulating layer 106 is used as an etching stop layer by a dry etching method. By using the insulating layer 106 as an etching stop layer, it is possible to prevent Pt / Ti or the like of the lower electrode 105 from being overetched and adhering to the end face of the piezoelectric element 109. By this dry etching, at least the insulating layer between the piezoelectric elements is exposed.

また、ドライエッチングによって表面が暴露(露出)された部分の絶縁層106は、圧電体層107の下の絶縁層106より薄くなっている方が好ましい。これは、暴露された絶縁層106部分が薄いほど振動板全体の拘束が小さくなるためである。
(5)レジストパターニング後に、ICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング法を用いて、圧電素子部の下部にインク圧力室111を形成する。
(6)別のシリコン基板に、同じくICP法を用いてインク吐出口112を形成し、オリフィスプレート113とする。
(7)前述したパーツを接合し、インクジェット記録ヘッド114が完成する。
[実施例1−1]
図1は本実施例を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはシリコンSOIウエハが用いられる。200μm厚のSi基板101上に、SiO2層(ボックス層)102が1μm、振動板としてSi単結晶層(SOI層)103が5μm、SiO2層104が3000Åを形成した。また、圧電素子として、下電極105、絶縁膜106、圧電体層109、上電極108を以下の厚みで順次形成した。下電極105はPt/Ti=3000/300Å、絶縁膜106はAl23=4000Åとした。また、圧電体層109はPb(Zr、Ti)O3ペロブスカイト型酸化物(PZT)=2.7μm、上電極108はPt/Ti=3000/300Åとした。
The insulating layer 106 where the surface is exposed (exposed) by dry etching is preferably thinner than the insulating layer 106 below the piezoelectric layer 107. This is because the restraint of the entire diaphragm becomes smaller as the exposed insulating layer 106 is thinner.
(5) After resist patterning, an ink pressure chamber 111 is formed below the piezoelectric element portion using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method.
(6) An ink discharge port 112 is formed on another silicon substrate using the ICP method, and an orifice plate 113 is formed.
(7) The aforementioned parts are joined to complete the ink jet recording head 114.
[Example 1-1]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an ink jet recording head showing the present embodiment. A silicon SOI wafer is used as the substrate. On a 200 μm-thick Si substrate 101, an SiO 2 layer (box layer) 102 was formed with a thickness of 1 μm, a Si single crystal layer (SOI layer) 103 as a vibration plate was formed with a thickness of 5 μm, and an SiO 2 layer 104 was formed with a thickness of 3000 mm. Further, as a piezoelectric element, a lower electrode 105, an insulating film 106, a piezoelectric layer 109, and an upper electrode 108 were sequentially formed with the following thicknesses. The lower electrode 105 was Pt / Ti = 3000/300 /, and the insulating film 106 was Al 2 O 3 = 4000Å. The piezoelectric layer 109 was Pb (Zr, Ti) O 3 perovskite oxide (PZT) = 2.7 μm, and the upper electrode 108 was Pt / Ti = 3000/300 =.

基板101には振動板の下にインク圧力室111を形成するためにエッチングによって穴を空けた。さらに、200μm厚のオリフィス用シリコン基板113を貼り合わせ、インク圧力室に合わせて直径40μmφのインク吐出口112を形成した。   A hole was formed in the substrate 101 by etching to form an ink pressure chamber 111 under the diaphragm. Further, an orifice silicon substrate 113 having a thickness of 200 μm was bonded, and an ink discharge port 112 having a diameter of 40 μmφ was formed in accordance with the ink pressure chamber.

インク圧力室の幅は100μm、奥行きは3mm、素子間のピッチは120μmとした。   The width of the ink pressure chamber was 100 μm, the depth was 3 mm, and the pitch between the elements was 120 μm.

このヘッドを使い、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行ったところ、2×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[比較例1−1]
図4は、本発明との比較のために作製したインクジェット記録ヘッドの模式的な断面図である。絶縁膜106を設けない点以外は実施例1と同様の素子を作製した。このヘッドを使い、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行ったところ、5×109回で不吐出の部分が発生した。
[実施例1−2]
図5のように、絶縁層106をオーバーエッチングして、圧電体層107下以外の部分の膜厚114を2000Åと薄くした。他の構造は、実施例1−1と同様にした。アクチュエータ部の変形を測定したところ、30Vの電圧を印可したときの変位が、実施例1のものに比べて、8%大きくなっていた。印字テストでは、2×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[実施例1−3]
次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセスを再び図3A、図3Bを用いて順を追って説明する。
(1)1μmのボックス層102、5μmのSOI層103を持った、厚さ200μmのシリコン基板101に、熱酸化で3000Åの熱酸化膜(SiO2層)104を形成した。
(2)この上に、下電極105としてPt/Ti=3000/300Åをスパッタ法で成膜し、さらにその上にスパッタ法により、絶縁膜106としてTa25を3000Å堆積した。
(3)この絶縁膜106に、スパッタ法でPZTを3μm堆積し、700℃で5時間焼成し圧電体層107とした。圧電体層107上に電極として、Pt/Ti=3000/300Åをスパッタ法で成膜し、パターニングして上電極108を形成した。
(4)圧電体層107をC48とCl2を使ってドライエッチングして圧電体素子109を形成した。この際に、Ta25層がエッチングストップ層として機能した。
(5)レジストパターニング後に、SF6とC48を交互に導入しICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング法を用いて、Siをボックス層まで掘り込み、圧電素子部の下部にインク圧力室111を形成した。
(6)厚さ150μmの別のシリコン基板に、同じくICP法を用いて直径40μmのインク吐出口112を形成し、オリフィスプレート113とする。
(7)前述したパーツにAu/Ti=1000/300Åスパッタで成膜し、真空接合機にて300℃で3MPaの圧力を掛け接合した。これで、インクジェット記録ヘッド114が完成する。
Using this head, a 3 pl droplet at 30 KHz and a print test with a width of 12.5 mm were performed using aqueous ink with a viscosity of 2 cp, and a high-quality printed matter without ejection failure was obtained up to 2 × 10 10 times. It was.
[Comparative Example 1-1]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an ink jet recording head manufactured for comparison with the present invention. An element similar to that of Example 1 was manufactured except that the insulating film 106 was not provided. When this head was used and a printing test was performed with a water droplet having a viscosity of 2 cp and a droplet of 3 pl at 30 KHz and a width of 12.5 mm, a non-ejection portion occurred at 5 × 10 9 times.
[Example 1-2]
As shown in FIG. 5, the insulating layer 106 was over-etched to reduce the film thickness 114 of the portion other than under the piezoelectric layer 107 to 2000 mm. Other structures were the same as in Example 1-1. When the deformation of the actuator portion was measured, the displacement when a voltage of 30 V was applied was 8% larger than that of Example 1. In the printing test, a high-quality printed matter having no ejection up to 2 × 10 10 times was obtained.
[Example 1-3]
Next, the process of the ink jet recording head according to the present invention will be described in order with reference to FIGS. 3A and 3B again.
(1) On a silicon substrate 101 having a thickness of 200 μm having a 1 μm box layer 102 and a 5 μm SOI layer 103, a thermal oxide film (SiO 2 layer) 104 having a thickness of 3000 mm was formed by thermal oxidation.
(2) On this, Pt / Ti = 3000 / 300Å was formed as a lower electrode 105 by sputtering, and 3000Å of Ta 2 O 5 was deposited thereon as an insulating film 106 by sputtering.
(3) 3 μm of PZT was deposited on the insulating film 106 by sputtering, and baked at 700 ° C. for 5 hours to form the piezoelectric layer 107. On the piezoelectric layer 107, Pt / Ti = 3000 / 300Å was formed as an electrode by sputtering and patterned to form the upper electrode 108.
(4) The piezoelectric element 109 was formed by dry etching the piezoelectric layer 107 using C 4 F 8 and Cl 2 . At this time, the Ta 2 O 5 layer functioned as an etching stop layer.
(5) After resist patterning, SF 6 and C 4 F 8 are introduced alternately, and ICP (Inductively Coupled Plasma) etching is used to dig Si into the box layer, and an ink pressure chamber 111 is formed below the piezoelectric element portion. Formed.
(6) An ink discharge port 112 having a diameter of 40 μm is formed on another silicon substrate having a thickness of 150 μm by using the ICP method, and the orifice plate 113 is formed.
(7) A film was formed on the above-mentioned parts by sputtering with Au / Ti = 1000/300 mm, and bonded by applying a pressure of 3 MPa at 300 ° C. with a vacuum bonding machine. Thus, the ink jet recording head 114 is completed.

ヘッド各部の寸法は、実施例1−1のものと同様とした。このヘッドを使い、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行ったところ、3×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。 The dimensions of each part of the head were the same as those in Example 1-1. Using this head, a 3 pl droplet at 30 KHz and a print test with a width of 12.5 mm were performed using aqueous ink with a viscosity of 2 cp. A high-quality printed matter with no non-ejection was obtained up to 3 × 10 10 times. It was.

以上本実施形態によれば、圧電体膜と下電極の間に積層した絶縁層によって、圧電素子エッチング後に形成される圧電素子の端面部の電気的リークによる故障が抑制される。また、圧電材料とエッチング速度の異なる絶縁層を下電極上に設けることにより、下電極がオーバーエッチされることがなくなり、下電極物質の飛散による素子部の汚染が抑制される。
[第2の実施形態]
図6(A)は本実施形態のインクジェット記録ヘッドの断面模式図であり、図6(B)のA−A'部における断面を示している。基板としてはSiウエハが用いられる。Si基板101上に、SiO2層(ボックス層)102、振動板としてSi単結晶層(SOI層)103、圧電素子として下電極105、絶縁層106、圧電体層107、上電極108が順次形成されている。
As described above, according to the present embodiment, the insulating layer laminated between the piezoelectric film and the lower electrode suppresses the failure due to the electric leakage at the end face portion of the piezoelectric element formed after the piezoelectric element etching. Further, by providing an insulating layer having an etching rate different from that of the piezoelectric material on the lower electrode, the lower electrode is not over-etched, and contamination of the element portion due to scattering of the lower electrode material is suppressed.
[Second Embodiment]
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of the ink jet recording head of this embodiment, and shows a cross section taken along the line AA ′ of FIG. A Si wafer is used as the substrate. An SiO 2 layer (box layer) 102, a Si single crystal layer (SOI layer) 103 as a vibration plate, a lower electrode 105, an insulating layer 106, a piezoelectric layer 107, and an upper electrode 108 as piezoelectric elements are sequentially formed on a Si substrate 101. Has been.

絶縁層106としては、第1の実施形態に記載した通りである。   The insulating layer 106 is as described in the first embodiment.

圧電体層107としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、リラクサ系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を持つ圧電体が用いられる。   As the piezoelectric layer 107, a piezoelectric body having a perovskite structure mainly composed of lead zirconate titanate, relaxor, or barium titanate is used.

基板101には振動板の下にインク圧力室111がエッチングによって穴が空けられて形成されている。さらにインク連通部115、インク吐出口112が形成されたオリフィスプレート113が接合されてインクジェット記録ヘッドが形成されている。オリフィスプレート113としてはSUS基板やSi基板を用いることができる。   In the substrate 101, an ink pressure chamber 111 is formed by etching under a diaphragm. Further, an ink jet recording head is formed by joining an orifice plate 113 in which an ink communication portion 115 and an ink discharge port 112 are formed. As the orifice plate 113, a SUS substrate or a Si substrate can be used.

インク圧力室は、液体であるインクに有効に吐出力を持たせられるものであれば、構造や材質、製法はここに記したものに限らない。また、電極材料や絶縁膜、圧電体の形成方法も適宜適当な形成方法を用いることができる。   The structure, material, and manufacturing method of the ink pressure chamber are not limited to those described here as long as the ink that is a liquid can effectively have an ejection force. In addition, an appropriate forming method can be used as a method for forming the electrode material, the insulating film, and the piezoelectric body.

振動板は、インク圧力室を区切る隔壁及び隔壁上に形成されている。また、絶縁層106は、隣接する圧電素子間の隔壁上にも形成されている。   The diaphragm is formed on a partition wall that partitions the ink pressure chamber and on the partition wall. The insulating layer 106 is also formed on the partition between adjacent piezoelectric elements.

また、図6(B)は本発明によるインクジェット記録ヘッドの圧電素子部の俯瞰模式図である。ここで、圧電素子部とは、インク圧力室111に対応する部分の下電極105、圧電体層107、上電極108を意味する。上電極108の幅は圧電体層107の幅よりも狭く、下電極105の幅は圧電体層107の幅よりも広い。絶縁層106は、圧電体層107と下電極105との間に設けられており、圧電体層107の下部分の圧電体下絶縁層106cと、下電極105と圧電体層107とを電気的に接触させるための非形成領域106dとが形成されている。また、図6(A)、図6(B)に示すように、圧電素子部の外周部に絶縁層106が形成され、下電極105を被覆している構造になっている。   FIG. 6B is a schematic bird's-eye view of the piezoelectric element portion of the ink jet recording head according to the present invention. Here, the piezoelectric element portion means the lower electrode 105, the piezoelectric layer 107, and the upper electrode 108 corresponding to the ink pressure chamber 111. The width of the upper electrode 108 is narrower than the width of the piezoelectric layer 107, and the width of the lower electrode 105 is wider than the width of the piezoelectric layer 107. The insulating layer 106 is provided between the piezoelectric layer 107 and the lower electrode 105, and electrically connects the lower piezoelectric insulating layer 106 c in the lower portion of the piezoelectric layer 107, the lower electrode 105, and the piezoelectric layer 107. And a non-formation region 106d for contacting the surface. Further, as shown in FIGS. 6A and 6B, an insulating layer 106 is formed on the outer peripheral portion of the piezoelectric element portion, and the lower electrode 105 is covered.

また、図7のように圧電素子部においては、圧電素子部の長手方向の外縁に沿って絶縁膜で覆い、短手方向周辺を絶縁膜で覆わない構造も取りうる。この場合、図6(B)に示す構造に比べ、圧電素子部の短手方向周辺の下電極105が露出するため、上下電極間のショート発生確率が若干上昇してしまう。しかしながら、絶縁層106による圧電素子部の拘束が弱まるため、同じ電圧をかけたときの変位は向上する。   Further, as shown in FIG. 7, the piezoelectric element portion may have a structure in which the insulating film is covered along the outer edge in the longitudinal direction of the piezoelectric element portion and the periphery in the short side direction is not covered with the insulating film. In this case, compared with the structure shown in FIG. 6B, the lower electrode 105 around the short side direction of the piezoelectric element portion is exposed, so the probability of occurrence of a short between the upper and lower electrodes is slightly increased. However, since the constraint of the piezoelectric element portion by the insulating layer 106 is weakened, the displacement when the same voltage is applied is improved.

図6(B)、図7のいずれの構造においても、引出電極などのために圧電体層107は圧電素子部以外の部分にも延長され、また、圧電体層107の一端の少なくとも一端はインク圧力室の一端を跨いでインク圧力室の領域外にも延設されている(不図示)。この圧電素子部以外に存在する圧電体層107と下電極105の間には絶縁層106を設けることにより、電極間の間に絶縁層106のみ、または圧電体層107のみが存在する場合よりも静電容量を低減できるため、高速な駆動が可能となる。特に、本実施形態の場合、非形成領域106dが形成されていることで下電極105と圧電体層107とが電気的に接触している。絶縁層を介して電極と圧電体層が存在する構成のほうが圧電体層に電界はかかるものの、下電極105と圧電体層107とが接触する本実施形態のほうが圧電素子としての性能がよりよい。   6B and 7, the piezoelectric layer 107 is extended to a portion other than the piezoelectric element portion for an extraction electrode and at least one end of the piezoelectric layer 107 is ink. It extends beyond the area of the ink pressure chamber across one end of the pressure chamber (not shown). By providing an insulating layer 106 between the piezoelectric layer 107 and the lower electrode 105 that exist outside the piezoelectric element portion, it is more than the case where only the insulating layer 106 or only the piezoelectric layer 107 exists between the electrodes. Since the capacitance can be reduced, high-speed driving is possible. In particular, in the case of the present embodiment, the lower electrode 105 and the piezoelectric layer 107 are in electrical contact with each other because the non-formation region 106d is formed. In the configuration in which the electrode and the piezoelectric layer are present via the insulating layer, an electric field is applied to the piezoelectric layer, but the present embodiment in which the lower electrode 105 and the piezoelectric layer 107 are in contact has better performance as a piezoelectric element. .

図8は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの長手方向断面図であり、図6(B)のB−B'断面の模式図である。図8においてはオリフィスプレートなどの構造は省略している。図8に示すように、インク圧力室上以外の圧電体層107や下電極105の存在する部分は、単に配線のために存在する。配線部分においては、上電極108、圧電体層107、下電極105の構造はコンデンサとなり、不要な静電容量が生じる。従って、この部分の下電極105と圧電体層107は絶縁層106によって完全に遮断しておくことが望ましい。絶縁層106として、圧電体層107よりも誘電率の低い材料を選択することにより、この部分の静電容量を低減することができ、より高速な応答が可能となる。   FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the ink jet recording head according to the present embodiment, and is a schematic view of a BB ′ section of FIG. In FIG. 8, the structure such as the orifice plate is omitted. As shown in FIG. 8, the portions where the piezoelectric layer 107 and the lower electrode 105 other than those on the ink pressure chamber exist are merely for wiring. In the wiring portion, the structure of the upper electrode 108, the piezoelectric layer 107, and the lower electrode 105 becomes a capacitor, and unnecessary capacitance is generated. Therefore, it is desirable that the lower electrode 105 and the piezoelectric layer 107 in this portion be completely cut off by the insulating layer 106. By selecting a material having a dielectric constant lower than that of the piezoelectric layer 107 as the insulating layer 106, the capacitance of this portion can be reduced, and a faster response is possible.

次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセス例を図9A、図9Bを用いて順を追って説明する。
(A)SOI層である振動板層103、ボックス層である酸化膜102を持ったシリコン基板101に、下電極105としてPt/Tiを形成し、さらにその上に絶縁層106を形成する。絶縁層としては、Al23、AlN、Si34、SiO2、MgO、Ta25、SiCなどが適用可能である。
(B)形成した絶縁層106をパターニングし、非形成領域106dを形成する。
(C)パターニングした絶縁層106上に、チタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分とした薄膜を堆積し、600〜800℃で焼成し圧電体層107とする。圧電体層107上に下電極106として、Pt/Tiなどの金属を形成する。
(D)上電極108のパターニングを行う。
(E)圧電体層107をエッチングして素子分離を行い、圧電素子109を形成する。この際に、ドライエッチング法で絶縁層106をエッチングストップ層に用いる。絶縁層106をエッチングストップ層に用いることによって、下電極105のPt/Tiなどがスパッタされて、圧電体素子端面に付着することが防止できる。
Next, a process example of the ink jet recording head according to the present invention will be described step by step with reference to FIGS. 9A and 9B.
(A) Pt / Ti is formed as the lower electrode 105 on the silicon substrate 101 having the diaphragm layer 103 which is an SOI layer and the oxide film 102 which is a box layer, and an insulating layer 106 is further formed thereon. As the insulating layer, Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 , SiO 2 , MgO, Ta 2 O 5 , SiC, or the like is applicable.
(B) The formed insulating layer 106 is patterned to form a non-formation region 106d.
(C) A thin film mainly composed of lead zirconate titanate or barium titanate is deposited on the patterned insulating layer 106 and fired at 600 to 800 ° C. to form the piezoelectric layer 107. A metal such as Pt / Ti is formed on the piezoelectric layer 107 as the lower electrode 106.
(D) The upper electrode 108 is patterned.
(E) The piezoelectric layer 107 is etched to perform element isolation, and the piezoelectric element 109 is formed. At this time, the insulating layer 106 is used as an etching stop layer by a dry etching method. By using the insulating layer 106 as an etching stop layer, it is possible to prevent the Pt / Ti or the like of the lower electrode 105 from being sputtered and attached to the end face of the piezoelectric element.

また、ドライエッチングによって表面が暴露された部分の絶縁層106は、圧電体層107の下の絶縁層106cより薄くなっている方が好ましい。これは、暴露された絶縁層部分が薄いほど振動板全体の拘束が小さくなるためである。
(F)レジストパターニング後に、シリコン基板101を、圧電素子109が形成された面と対向する側からエッチングを行い、圧電素子109の下部にインク圧力室111を形成する。
(G)別のシリコン基板に、インク連通部115及びインク吐出口112を形成し、オリフィスプレート113とする。
(H)前述したパーツを接合し、インクジェット記録ヘッド114が完成する。
[実施例2−1]
図6は本発明による実施例を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはシリコンSOIウエハを用いた。200μm厚のSi基板101上に、SiO2層(ボックス層)102が1μm、振動板としてSi単結晶層(SOI層)103が5μmである。このSOI層103の上に熱酸化膜SiO2層を300nm形成している(不図示)。その上に下電極105としてPt300nm/Ti30nm、絶縁層106としてSiO2を300nmを形成し、絶縁層106の一部をエッチングによって除去し、非形成領域を形成した。その後、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)2.7μmの圧電体層107、Pt/Ti=300/30nmの上電極108を順次形成し、上電極108、圧電体層107を順次エッチングして圧電素子109を形成した。本実施例に上げた振動板やPZT、電極、絶縁膜などの厚さは一例を示したのみであり、用途に応じて適宜変更することが可能である。絶縁層106は変位の阻害、エッチングストップ層としての機能を考えるとSiO2を用いた場合には10nm〜1000nmあたりが適当である。
The insulating layer 106 where the surface is exposed by dry etching is preferably thinner than the insulating layer 106 c under the piezoelectric layer 107. This is because the restraint of the entire diaphragm becomes smaller as the exposed insulating layer portion becomes thinner.
(F) After resist patterning, the silicon substrate 101 is etched from the side facing the surface on which the piezoelectric element 109 is formed to form an ink pressure chamber 111 below the piezoelectric element 109.
(G) The ink communication part 115 and the ink discharge port 112 are formed on another silicon substrate to form the orifice plate 113.
(H) The aforementioned parts are joined to complete the ink jet recording head 114.
[Example 2-1]
FIG. 6 is a schematic sectional view of an ink jet recording head showing an embodiment according to the present invention. A silicon SOI wafer was used as the substrate. On the Si substrate 101 having a thickness of 200 μm, the SiO 2 layer (box layer) 102 is 1 μm, and the Si single crystal layer (SOI layer) 103 is 5 μm as a vibration plate. A thermal oxide film SiO 2 layer having a thickness of 300 nm is formed on the SOI layer 103 (not shown). On top of that, Pt 300 nm / Ti 30 nm was formed as the lower electrode 105, 300 nm of SiO 2 was formed as the insulating layer 106, and a part of the insulating layer 106 was removed by etching to form a non-formation region. Thereafter, a piezoelectric layer 107 of lead zirconate titanate (PZT) 2.7 μm and an upper electrode 108 of Pt / Ti = 300/30 nm are sequentially formed, and the upper electrode 108 and the piezoelectric layer 107 are sequentially etched to form a piezoelectric element. 109 was formed. The thickness of the diaphragm, PZT, electrode, insulating film, etc. raised in this embodiment is only an example, and can be appropriately changed according to the application. In consideration of the displacement inhibition and the function as an etching stop layer, the insulating layer 106 is suitably around 10 nm to 1000 nm when SiO 2 is used.

基板101には振動板の下にインク圧力室111を形成するためにエッチングによって穴を空けた。さらに、インク連通部115、インク吐出口112を有する200μm厚のオリフィス用シリコン基板113を貼り合わせ、インクジェット記録ヘッドを作製した。   A hole was formed in the substrate 101 by etching to form an ink pressure chamber 111 under the diaphragm. Further, an orifice silicon substrate 113 having an ink communication portion 115 and an ink discharge port 112 was bonded to produce an ink jet recording head.

インク圧力室の幅は100μm、奥行きは3mm、素子間のピッチは220μmとした。   The width of the ink pressure chamber was 100 μm, the depth was 3 mm, and the pitch between elements was 220 μm.

このヘッドを使い、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行ったところ、2×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[比較例2−1]
絶縁層106を形成しない以外は実施例2−1と同様の素子を作製し、このヘッドを使って、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行った。その結果、5×109回で上下電極間でショートが発生し、不吐出となった。
[実施例2−2]
図10のように、絶縁層106をオーバーエッチングして、圧電体層107下以外の部分の絶縁層106bを200nmと薄くした。他の構造は、実施例2−1と同様にした。圧電素子部の変形を測定したところ、30Vの電圧を印可したときの変位が、実施例2−1のものに比べて、8%大きくなっていた。印字テストでは、2×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[実施例2−3]
次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法を図9A、図9Bを使って順を追って説明する。
(A)1μmのSiO2層であるボックス層102、5μmのSOI層103を持った、厚さ200μmのシリコン基板101に下電極105としてPt/Ti=300/30nmをスパッタ法で成膜した。さらにその上にスパッタ法により、絶縁層106としてTa25を300nm堆積した。
(B)次に形成した絶縁層106の一部をエッチングによって除去し、非形成領域109を形成した。
(C)非形成領域109を形成した絶縁層106上にスパッタ法でPZTを3μm堆積し、酸素雰囲気中にて700℃で5時間焼成し圧電体層107とした。さらに圧電体層上に電極として、Pt/Ti=300/30nmをスパッタ法で成膜した。
(D)形成したPt/Ti=300/30nmをパターニングして上電極108を形成した。
(E)圧電体層107をC48とCl2をエッチングガスとして用いたドライエッチングを行い、圧電体素子109を形成した。この際に、Ta25層がエッチングストップ層として機能した。
(F)レジストパターニング後に、シリコン基板101を、圧電素子が形成された面と対向する面からボックス層102をストップエッチング層として用い、エッチングを行った。エッチング方法としては垂直深堀りが可能な方法が好適である。本実施例においてはプラズマ源として高密度プラズマを生成できるICP(Inductively Coupled Plasma)を用い、エッチングガスとしてSF6及びC48を用いた、いわゆるボッシュプロセスを用いてエッチングを行った。ボックス層102が露出するまでエッチングを行った後、バッファードフッ酸を用いて露出したボックス層を除去し、インク圧力室111を形成した。
(G)厚さ150μmの別のシリコン基板に、同じくICP法を用いてインク連通部115と直径30μmのインク吐出口112を形成し、オリフィスプレート113とする。
(H)前述したパーツにAu/Ti=100/30nmスパッタ法で成膜し、真空接合機にて300℃で3MPaの圧力を掛け接合した。これで、インクジェット記録ヘッドが完成する。
Using this head, a 3 pl droplet at 30 KHz and a print test with a width of 12.5 mm were performed using aqueous ink with a viscosity of 2 cp, and a high-quality printed matter without ejection failure was obtained up to 2 × 10 10 times. It was.
[Comparative Example 2-1]
A device similar to that of Example 2-1 was prepared except that the insulating layer 106 was not formed. Using this head, a 3 pl droplet at 30 KHz and a printing test at a width of 12.5 mm using aqueous ink with a viscosity of 2 cp. Went. As a result, a short circuit occurred between the upper and lower electrodes at 5 × 10 9 times, resulting in non-ejection.
[Example 2-2]
As shown in FIG. 10, the insulating layer 106 was over-etched, and the insulating layer 106 b in a portion other than under the piezoelectric layer 107 was thinned to 200 nm. Other structures were the same as in Example 2-1. When the deformation of the piezoelectric element portion was measured, the displacement when a voltage of 30 V was applied was 8% larger than that of Example 2-1. In the printing test, a high-quality printed matter having no ejection up to 2 × 10 10 times was obtained.
[Example 2-3]
Next, a method of manufacturing the ink jet recording head according to the present invention will be described in order with reference to FIGS. 9A and 9B.
(A) A Pt / Ti = 300/30 nm film was formed as a lower electrode 105 on a silicon substrate 101 having a thickness of 200 μm with a box layer 102, which is a 1 μm SiO 2 layer, and a 5 μm SOI layer 103, by sputtering. Furthermore, 300 nm of Ta 2 O 5 was deposited thereon as the insulating layer 106 by sputtering.
(B) A part of the insulating layer 106 formed next was removed by etching to form a non-formation region 109.
(C) 3 μm of PZT was deposited by sputtering on the insulating layer 106 in which the non-formation region 109 was formed, and baked at 700 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere to obtain the piezoelectric layer 107. Further, Pt / Ti = 300/30 nm was deposited on the piezoelectric layer as an electrode by sputtering.
(D) The upper electrode 108 was formed by patterning the formed Pt / Ti = 300/30 nm.
(E) The piezoelectric layer 109 was dry-etched using C 4 F 8 and Cl 2 as etching gases to form the piezoelectric element 109. At this time, the Ta 2 O 5 layer functioned as an etching stop layer.
(F) After resist patterning, the silicon substrate 101 was etched using the box layer 102 as a stop etching layer from the surface facing the surface on which the piezoelectric element was formed. As the etching method, a method capable of vertical deep drilling is preferable. In this embodiment, etching is performed using a so-called Bosch process using ICP (Inductively Coupled Plasma) capable of generating high-density plasma as a plasma source and using SF 6 and C 4 F 8 as etching gases. After etching until the box layer 102 was exposed, the exposed box layer was removed using buffered hydrofluoric acid to form an ink pressure chamber 111.
(G) On another silicon substrate having a thickness of 150 μm, the ink communication portion 115 and the ink discharge port 112 having a diameter of 30 μm are formed using the ICP method, and the orifice plate 113 is formed.
(H) A film was formed on the above-mentioned parts by the sputtering method Au / Ti = 100/30 nm, and bonded by applying a pressure of 3 MPa at 300 ° C. with a vacuum bonding machine. Thus, the ink jet recording head is completed.

ヘッド各部の寸法は、実施例2−1と同様とした。このヘッドを使って、粘度2cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで印字テストを行ったところ、3×1010回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。 The dimensions of each part of the head were the same as in Example 2-1. Using this head, a 3 pl droplet at 30 KHz and a print test with a width of 12.5 mm were performed using aqueous ink with a viscosity of 2 cp. A high-quality printed matter with no ejection up to 3 × 10 10 times was obtained. Obtained.

以上本実施形態によれば、一部が圧電体の下部まで延長されるように絶縁層を下電極上に設けることにより、下電極が圧電体のエッチングの際に露出してスパッタされることがなく、下電極物質の飛散による素子部の汚染が抑制される。また、圧電体よりも誘電率の低い絶縁体を圧電体と下電極の間に介在させることにより、素子としての静電容量を低減することができ、駆動波形に対してより高速に応答できるため、精密な吐出制御が可能となる。   As described above, according to the present embodiment, by providing the insulating layer on the lower electrode so that a part thereof extends to the lower portion of the piezoelectric body, the lower electrode is exposed and sputtered when the piezoelectric body is etched. In addition, contamination of the element portion due to scattering of the lower electrode material is suppressed. In addition, by interposing an insulator having a dielectric constant lower than that of the piezoelectric body between the piezoelectric body and the lower electrode, the capacitance of the element can be reduced, and the response to the drive waveform can be made faster. Precise discharge control becomes possible.

本発明の第1の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの断面図である。1 is a cross-sectional view of an ink jet recording head according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの他の例の断面図である。It is sectional drawing of the other example of the inkjet recording head by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。3 is a flow chart of manufacturing the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。3 is a flow chart of manufacturing the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention. 比較例のインクジェット記録ヘッドの断面図である。It is sectional drawing of the inkjet recording head of a comparative example. 本発明の実施例1−2によるインクジェット記録ヘッドの断面図である。It is sectional drawing of the inkjet recording head by Example 1-2 of this invention. 本発明の第2の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの断面図および上面図である。It is sectional drawing and the top view of the inkjet recording head by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの他の例の上面図である。It is a top view of the other example of the inkjet recording head by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの長手方向断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an ink jet recording head according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。It is a manufacturing flow of the inkjet recording head in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。It is a manufacturing flow of the inkjet recording head in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施例2−2におけるインクジェット記録ヘッドの断面図である。It is sectional drawing of the inkjet recording head in Example 2-2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

105 下電極
106 絶縁膜
107 圧電体層
108 上電極
109 圧電素子
111 インク圧力室
112 インク吐出口
114 インクジェット記録ヘッド
105 Lower Electrode 106 Insulating Film 107 Piezoelectric Layer 108 Upper Electrode 109 Piezoelectric Element 111 Ink Pressure Chamber 112 Ink Ejection Port 114 Inkjet Recording Head

Claims (6)

液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための複数の圧力室と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する複数の圧電素子と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられた液体吐出ヘッドであって、
少なくとも前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた前記下電極をすべて覆う絶縁体層が形成されており、
前記絶縁体層のうちの、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた部分の厚さは、前記絶縁体層のうちの、前記圧電体層に対応する領域に設けられた部分の厚さより薄いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
A plurality of pressure chambers that communicate with a discharge port that discharges the liquid and pressurizes the liquid; a lower electrode that is provided corresponding to each of the plurality of pressure chambers and stacked in order from the pressure chamber side; and a piezoelectric body A plurality of piezoelectric elements having a layer and an upper electrode, and a liquid ejection head in which the lower electrode is provided up to a region corresponding to between the plurality of pressure chambers,
An insulating layer that covers all of the lower electrode provided in a corresponding region between at least the plurality of pressure chambers is formed ;
The thickness of the portion provided in the region corresponding to the space between the plurality of pressure chambers in the insulator layer is provided in the region corresponding to the piezoelectric layer in the insulator layer. A liquid discharge head characterized by being thinner than the thickness of the portion .
前記圧電体層の少なくとも一端は前記圧力室に対応する領域外へ延設されており、前記圧電体層は幅が前記上電極より広く前記下電極より狭く、前記絶縁体層は少なくとも前記圧電素子の長手方向の外縁に沿って形成されており、前記下電極と前記圧電体層とを電気的に接触させるための、前記絶縁体層が形成されていない部分が設けられている請求項1に記載の液体吐出ヘッド。   At least one end of the piezoelectric layer extends outside a region corresponding to the pressure chamber, the piezoelectric layer is wider than the upper electrode and narrower than the lower electrode, and the insulator layer is at least the piezoelectric element. A portion where the insulator layer is not formed is provided to electrically contact the lower electrode and the piezoelectric layer, wherein the insulating layer is not formed. The liquid discharge head described. 前記絶縁体層は少なくとも前記圧電素子のすべての外周に沿って形成されている請求項2に記載の液体吐出ヘッド。   The liquid ejection head according to claim 2, wherein the insulator layer is formed along at least the outer periphery of the piezoelectric element. 前記絶縁体層は前記圧電体層より厚さが薄い請求項1ないし3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。   4. The liquid ejection head according to claim 1, wherein the insulating layer is thinner than the piezoelectric layer. 5. 液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための複数の圧力室と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する複数の圧電素子と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を絶縁体層がすべて覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記下電極の上に絶縁体層を形成する工程と、
前記絶縁体層の上に前記圧電体層の材料層を形成する工程と、
前記圧電体層の材料層のうちの、前記複数の圧力室同士の間に対応する部分をエッチングして前記複数の圧電体層を形成するとともに、前記絶縁体層のうちの、前記複数の圧力室の間に対応する領域に設けられた部分を露出させ、該部分の厚さを、前記絶縁体層のうちの、前記圧電体層に対応する領域に設けられた部分の厚さよりも薄くする工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
A plurality of pressure chambers that communicate with a discharge port that discharges the liquid and pressurizes the liquid; a lower electrode that is provided corresponding to each of the plurality of pressure chambers and stacked in order from the pressure chamber side; and a piezoelectric body includes a plurality of piezoelectric element having a layer and the upper electrode, wherein the plurality of the lower electrode to the corresponding region between the adjacent pressure chambers is provided, an insulating the lower electrode provided in at least the region A method of manufacturing a liquid ejection head that is entirely covered by a body layer,
Forming an insulator layer on the lower electrode;
Forming a material layer of the piezoelectric layer on the insulator layer;
Of the material layer of the piezoelectric layer, a portion corresponding to the space between the plurality of pressure chambers is etched to form the plurality of piezoelectric layers, and the plurality of pressures of the insulator layer A portion provided in a region corresponding to between the chambers is exposed, and the thickness of the portion is made smaller than a thickness of a portion of the insulator layer provided in a region corresponding to the piezoelectric layer. Process,
A method for manufacturing a liquid discharge head, comprising:
前記エッチングはドライエッチングであり、前記下電極はPtを含む請求項に記載の
液体吐出ヘッドの製造方法。
The method of manufacturing a liquid ejection head according to claim 5 , wherein the etching is dry etching, and the lower electrode contains Pt.
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