JP2004074806A - Ink jet recording head and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はインク吐出の駆動源に圧電体薄膜を用いたインクジェット式記録ヘッド、及びその製造方法に関する。さらに、本発明はその記録ヘッドを用いたインクジェット式記録装置に関する。 The present invention relates to an ink jet recording head using a piezoelectric thin film as a driving source for ink ejection, and a method for manufacturing the same. Further, the present invention relates to an ink jet recording apparatus using the recording head.
液体あるいはインク吐出の駆動源である電気−機械変換素子として圧電体素子であるＰＺＴからなるＰＺＴ素子を使用した圧電型インクジェット式記録ヘッドがある。このものの従来技術として、例えば、特開平５−２８６１３１号公報にて提案されたものが存在する。 圧 電 There is a piezoelectric inkjet recording head using a PZT element made of PZT as a piezoelectric element as an electro-mechanical conversion element which is a driving source of liquid or ink ejection. For example, there is a prior art proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-286131.
従来技術における記録ヘッドは、ヘッド基台に個別インク路（インク圧力室）を有し、この個別インク路を覆うように振動板を有している。振動板に被着形成するように共通電極が形成され、各個別インク路上に及ぶようにＰＺＴ素子が配置され、このＰＺＴ素子の片面に個別電極（上電極）が配置されている。 The recording head of the related art has an individual ink path (ink pressure chamber) on a head base, and a diaphragm so as to cover the individual ink path. A common electrode is formed so as to adhere to the vibration plate, a PZT element is arranged so as to extend over each individual ink path, and an individual electrode (upper electrode) is arranged on one surface of the PZT element.
このプリンタヘッドでは、ＰＺＴ素子に電界を加えてＰＺＴ素子を変位させることにより、個別インク路内のインクを個別インク路のノズルから押し出すようにしている。 In this printer head, the ink in the individual ink path is pushed out from the nozzle of the individual ink path by applying an electric field to the PZT element to displace the PZT element.
本発明者が従来のインクジェット記録ヘッドについて鋭意検討し、本発明に到るまでの経緯について説明する。 (4) The inventor diligently studied a conventional ink jet recording head, and the process leading to the present invention will be described.
既述した従来のインクジェット記録ヘッドでは、ＰＺＴ素子と上電極との間にパターンのずれが生じ、たとえ、両者を同一のパターンでパターニングしたとしてもそのパターンずれに依って上電極と共通電極間のリークに到るおそれがある。 In the conventional ink jet recording head described above, a pattern shift occurs between the PZT element and the upper electrode. Even if both are patterned by the same pattern, the pattern shift occurs between the upper electrode and the common electrode due to the pattern shift. Leaks can occur.
そこで、勢いこの問題を避けようとすると、上電極のパターンをＰＺＴ素子のパターンより小さくする必要が出てくる。すなわち、図１０のものを図１１のようにする。このような形状にすると、上電極５側の電界が上電極の無い圧電体部分には印加されなくなってインク吐出のための効率が悪化するおそれがある。 Therefore, in order to avoid this problem, it is necessary to make the pattern of the upper electrode smaller than that of the PZT element. That is, the configuration shown in FIG. 10 is changed as shown in FIG. With such a shape, the electric field on the upper electrode 5 side is not applied to the piezoelectric portion without the upper electrode, and the efficiency for ink discharge may be deteriorated.
すなわち、電界が印加されず変形しない、圧電体の部分が変形する部分を拘束して圧電体全体の変位を小さくしてしまう。また、上電極が圧電体膜の幅方向中央に位置しない、すなわち、図示左右の圧電体膜の変形しない部分の幅が異なると、圧電体膜の変形が歪になり吐出特性および安定性が低下することになる。 That is, a portion of the piezoelectric body that is not deformed due to no application of an electric field is restrained to reduce the displacement of the entire piezoelectric body. If the upper electrode is not located at the center of the piezoelectric film in the width direction, that is, if the width of the undeformed portion of the left and right piezoelectric films is different, the deformation of the piezoelectric film is distorted, and the ejection characteristics and stability are reduced. Will do.
そこで、本発明者は、この課題を解決するために、前記圧電体を薄膜として形成し、かつ、圧電体薄膜と個別電極とを、例えばフォトリソグラフィ法を用いて同時にエッチングすることにより、前記圧電体薄膜と電極とが同一形状にパターニングされているインクジェット記録ヘッドを新規に得るに到った。 In order to solve this problem, the present inventor has proposed that the piezoelectric body be formed as a thin film and that the piezoelectric thin film and the individual electrode be simultaneously etched using, for example, a photolithography method, thereby obtaining the piezoelectric body. A new inkjet recording head in which the body thin film and the electrode are patterned in the same shape has been newly obtained.
一方、薄いＰＺＴ素子を圧電体薄膜について、バルクの圧電体を用いたインクジェットヘッドと同等以上のインクを吐出させるためには、バルクＰＺＴ以上の極めて大きな圧電定数を有するＰＺＴ薄膜を形成して振動板を変形させることが望ましい。 On the other hand, in order to eject a thin PZT element with a piezoelectric thin film that is equal to or more than an ink jet head using a bulk piezoelectric body, a PZT thin film having an extremely large piezoelectric constant larger than bulk PZT is formed. Is desirably deformed.
一般にＰＺＴ薄膜の圧電定数はバルクに比べ２分の１から３分の１しかなく、ＰＺＴ素子が異なるだけで、他の設計数値が同じ場合、ＰＺＴ薄膜でバルクＰＺＴ以上のインクを吐出させるのは困難である。 In general, the piezoelectric constant of a PZT thin film is only one-half to one-third that of a bulk, and when the PZT element is different but the other design values are the same, the PZT thin film discharges more ink than the bulk PZT. Have difficulty.
圧電定数が小さいＰＺＴ薄膜の利用を可能とするために、ＰＺＴ薄膜の形成領域の面積を増やす方法がある。この方法によると、印刷に必要な量のインクを吐出できるが、ＰＺＴ薄膜の面積が増加すると、高密度でインクジェットプリンタヘッドが形成できず、高精細な印字品質が確保できない。 In order to enable the use of a PZT thin film having a small piezoelectric constant, there is a method of increasing the area of the formation region of the PZT thin film. According to this method, an amount of ink required for printing can be ejected, but if the area of the PZT thin film increases, an ink jet printer head cannot be formed at a high density, and high-definition printing quality cannot be ensured.
そこで、本発明の目的は、圧電体薄膜と電極とのパターンずれが無く、圧電体薄膜に有効に電界が印加でき、安定的に充分な吐出特性を得ることができるインクジェット記録ヘッドを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ink jet recording head which can apply an electric field effectively to a piezoelectric thin film without causing a pattern shift between the piezoelectric thin film and an electrode, and can stably obtain sufficient ejection characteristics. It is in.
本願発明の他の目的は、小さな振動板面積で、十分なインク吐出量を確保しながら、高精細、高精度なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a high-definition and high-precision ink jet recording head with a small diaphragm area and a sufficient ink discharge amount.
さらに他の目的は、この記録ヘッドを製造する方法を提供することにある。さらに他の目的は、これらの記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置、及びインクジェットプリンタシステムを提供することにある。 Another object is to provide a method for manufacturing the recording head. Still another object is to provide an ink jet recording apparatus and an ink jet printer system provided with these recording heads.
前記目的を達成するために、本発明に係わるインクジェット記録式ヘッドは、インクを噴射するノズルと、このノズルにインクを供給するためのインク溜まり溝と、このインク溜まり溝内のインクを加圧する振動板と、この振動板に対する加圧源となる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜に対する電極と、を備え、前記圧電体薄膜と電極が同一形状にパターニングされていることを特徴とする。本発明によれば、圧電体薄膜と電極とが同一工程によってパターニングされているために、両者にパターンずれがなく、圧電体薄膜に有効に電界が印加でき、安定的に充分な吐出特性を得ることができる。 In order to achieve the above object, an ink jet recording head according to the present invention includes a nozzle for ejecting ink, an ink reservoir groove for supplying ink to the nozzle, and a vibration for pressurizing ink in the ink reservoir groove. A plate, a piezoelectric thin film serving as a pressure source for the vibrating plate, and an electrode for the piezoelectric thin film, wherein the piezoelectric thin film and the electrode are patterned in the same shape. According to the present invention, since the piezoelectric thin film and the electrode are patterned by the same process, there is no pattern shift between the two, and an electric field can be effectively applied to the piezoelectric thin film, and a sufficient discharge characteristic can be obtained stably. be able to.
前記圧電体薄膜と電極とを同一形状にパターニングすることは、両者を同時にエッチングすることによって好適に達成される。 パ タ ー ニ ン グ Patterning the piezoelectric thin film and the electrode into the same shape is preferably achieved by etching both simultaneously.
好ましい実施の形態では、圧電体薄膜は、ゾルゲル法またはスパッタ法で成膜された０．３〜５μｍの薄膜である。 In a preferred embodiment, the piezoelectric thin film is a thin film having a thickness of 0.3 to 5 μm formed by a sol-gel method or a sputtering method.
さらに、本発明は、前記圧電体薄膜が、前記振動板を介して前記インク溜まり溝上で、この溝外に及ぶことなく形成されており、前記圧電体薄膜に被着されていない領域の振動板の厚みが、前記圧電体薄膜に被着されている領域の振動板の厚みより薄いことを特徴とする。したがって、前記圧電体薄膜に被着されていない領域の振動板が撓み易くなるために、圧電体薄膜の面積を大きくすることなく、小さな振動板面積で、十分なインク吐出量を確保しながら、高精細、高精度なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。 Further, according to the present invention, the piezoelectric thin film is formed on the ink reservoir groove via the vibrating plate without extending outside the groove, and the vibrating plate in a region not attached to the piezoelectric thin film is provided. Is thinner than the thickness of the vibrating plate in a region covered with the piezoelectric thin film. Therefore, since the diaphragm in the region not adhered to the piezoelectric thin film is easily bent, without increasing the area of the piezoelectric thin film, with a small diaphragm area, while ensuring a sufficient ink ejection amount, A high-definition, high-precision inkjet recording head can be provided.
本発明の好ましい形態によれば、前記電極が複数の圧電体薄膜のパターンに対する共通電極と個別の圧電体薄膜に対する個別電極からなり、前記振動板がこの共通電極と絶縁膜とからなり、この共通電極の前記圧電体薄膜に被着されていない部分の厚みが、前記圧電体薄膜に被着されている部分の厚みより小さいことを特徴とする。他の好ましい形態によれば、前記電極が複数の圧電体薄膜のパターンに対する共通電極と個別の圧電体薄膜に対する個別電極からなり、前記振動板がこの共通電極から構成されている。 According to a preferred embodiment of the present invention, the electrode includes a common electrode for a plurality of piezoelectric thin film patterns and an individual electrode for an individual piezoelectric thin film, and the diaphragm includes the common electrode and an insulating film, The thickness of the portion of the electrode that is not attached to the piezoelectric thin film is smaller than the thickness of the portion that is attached to the piezoelectric thin film. According to another preferred embodiment, the electrodes comprise a common electrode for a plurality of patterns of piezoelectric thin films and individual electrodes for individual piezoelectric thin films, and the diaphragm is constituted by this common electrode.
また、さらに他の形態によれば、前記電極が個々の圧電体薄膜のパターンに対する下電極と上電極からなり、前記振動板がこの下電極と前記インク溜まり溝に臨む絶縁膜からなり、この下電極が圧電体薄膜の領域のみに被着形成されている。さらに他の形態によれば、前記絶縁膜の前記圧電体薄膜が形成されていない領域が、この圧電体薄膜が形成されている領域より薄いことを特徴とする。 According to still another mode, the electrode comprises a lower electrode and an upper electrode for each pattern of the piezoelectric thin film, and the vibrating plate comprises the lower electrode and an insulating film facing the ink reservoir groove. Electrodes are formed only in the region of the piezoelectric thin film. According to still another aspect, a region of the insulating film where the piezoelectric thin film is not formed is thinner than a region where the piezoelectric thin film is formed.
本発明は、さらに、このインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置であることを特徴とする。 The present invention is further characterized in that the present invention is an ink jet recording apparatus provided with the ink jet recording head.
他の発明は、このインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、基台にインクを噴射するノズルにインクを供給するためのインク溜まりを形成する第１の工程と、この基台上に、前記インク溜まり溝内のインクを加圧する振動板と、この振動板に対する加圧源となる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜に対する電極とを順次形成する第２工程と、前記圧電体薄膜と電極とを同時にパターニングする第３工程と、を備えたことを特徴とする。 Another invention is a method of manufacturing the ink jet recording head, comprising: a first step of forming an ink reservoir for supplying ink to a nozzle for ejecting ink to a base; A second step of sequentially forming a vibrating plate for pressurizing the ink in the ink reservoir groove, a piezoelectric thin film serving as a pressurizing source for the vibrating plate, and an electrode for the piezoelectric thin film; And a third step of patterning simultaneously.
好ましい発明の形態は、前記第２の工程が、前記電極を複数の圧電体薄膜のパターンに対する共通電極と個別の圧電体薄膜に対する個別電極から構成し、この個別電極の共通電極表面に対向した投影面積が前記圧電体薄膜表面の面積と同一になるようにした。前記第３工程は、前記個別電極と圧電体薄膜を一括でドライエッチングする工程である。前記ドライエッチングは、さらにイオンミリング法または反応性イオンエッチング法であることが好ましい。 According to a preferred aspect of the present invention, in the second step, the electrode includes a common electrode for a plurality of piezoelectric thin film patterns and an individual electrode for an individual piezoelectric thin film, and the projection of the individual electrode facing the common electrode surface. The area was made equal to the area of the surface of the piezoelectric thin film. The third step is a step of collectively dry etching the individual electrodes and the piezoelectric thin film. It is preferable that the dry etching is further performed by an ion milling method or a reactive ion etching method.
本発明の製造方法の好ましい態様では、前記第２の工程は、基板の表面上に絶縁膜を被着形成する工程と、第１の電極を被着形成する工程と、この電極上に圧電体薄膜を被着形成する工程と、この圧電体薄膜上に第２の電極を被着形成する工程とを備えてなり、前記第３の工程は、フォトリソグラフィー法により、第２の電極上にレジストをパターニングする工程と、該レジストをマスクにして、第１のエッチング法により第２の電極と圧電体薄膜をパターニングする工程と、第２のエッチング方法により第１の電極を薄くする工程と、を備える。 In a preferred aspect of the manufacturing method of the present invention, the second step includes a step of forming an insulating film on the surface of the substrate, a step of forming a first electrode, and a step of forming a piezoelectric material on the electrode. A step of depositing and forming a thin film, and a step of depositing and forming a second electrode on the piezoelectric thin film, wherein the third step is a method in which a resist is formed on the second electrode by photolithography. Patterning, using the resist as a mask, patterning the second electrode and the piezoelectric thin film by the first etching method, and thinning the first electrode by the second etching method. Prepare.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。先ず、図１乃至８に基づいて、本発明の第１の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１に示すようにインク溜まりとしてのインク圧力室を形成するヘッド基台１としてシリコン基板を用い、振動板としての１μｍシリコン熱酸化膜２を形成する。振動板としてはその他に後述の共通電極のみ、共通電極とチッ化珪素、ジルコニウム、ジルコニア等が使用できる。 (1) As shown in FIG. 1, a silicon substrate is used as a head base 1 for forming an ink pressure chamber as an ink reservoir, and a 1 μm silicon thermal oxide film 2 as a diaphragm is formed. As the vibration plate, other than the above, only a common electrode described later, a common electrode and silicon nitride, zirconium, zirconia, or the like can be used.
次に図２乃至図４のようにシリコン熱酸化膜２上に共通電極３として膜厚０．８μｍの白金をスパッタで形成し、その上に圧電体薄膜４を形成し、更にその上に上電極５として膜厚０．１μｍの白金をスパッタで形成した。本実施例においてはシリコン熱酸化膜２と共通電極３とが振動板として機能する。上電極材料としてはそのほか導電率が良好なものなら良く、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、インジウム等を使用できる。 Next, as shown in FIGS. 2 to 4, 0.8 μm-thick platinum is formed as a common electrode 3 on the silicon thermal oxide film 2 by sputtering, and a piezoelectric thin film 4 is formed thereon. Platinum having a thickness of 0.1 μm was formed as the electrode 5 by sputtering. In this embodiment, the silicon thermal oxide film 2 and the common electrode 3 function as a diaphragm. As the upper electrode material, any other material having good conductivity may be used. For example, aluminum, gold, nickel, indium and the like can be used.
圧電体薄膜４の形成は、簡単な装置で薄膜を得られる製法であるゾルゲル法によった。インクジェット記録ヘッドに使用する上では、圧電特性を示すものの中からジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系が最も適している。共通電極３の上に調製したＰＺＴ系ゾルをスピンコートで塗布し、４００℃で仮焼成し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成し、更にゾルの塗布と４００℃の仮焼成を２度繰り返し、多孔質ゲル薄膜を形成した。 The piezoelectric thin film 4 was formed by a sol-gel method, which is a method of obtaining a thin film with a simple device. For use in an ink jet recording head, lead zirconate titanate (PZT) is most suitable among those exhibiting piezoelectric characteristics. The PZT-based sol prepared on the common electrode 3 is spin-coated and calcined at 400 ° C. to form an amorphous porous gel thin film, and the sol is applied and calcined twice at 400 ° C. Repeatedly, a porous gel thin film was formed.
次にペロブスカイト結晶を得るためＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）を用いて酸素雰囲気中、５秒間で６５０℃に加熱して１分間保持しプレアニールを行い、緻密なＰＺＴ薄膜とした。再びこのゾルをスピンコートで塗布して４００℃に仮焼成する工程を３度繰り返し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を積層した。 Next, in order to obtain perovskite crystals, preheating was performed by heating at 650 ° C. for 5 seconds and holding for 1 minute in an oxygen atmosphere using RTA (Rapid Thermal Annealing) to perform a dense PZT thin film. The step of applying this sol again by spin coating and temporarily baking it at 400 ° C. was repeated three times, and an amorphous porous gel thin film was laminated.
次に、ＲＴＡを用いて６５０℃でプレアニールして１分間保持することにより、結晶質の緻密な薄膜とした。更にＲＴＡを用いて酸素雰囲気中９００℃に加熱し１分間保持してアニールした。その結果１．０μｍの膜厚の圧電体薄膜４が得られる。圧電体薄膜の製造方法は、スパッタ法でも可能である。 (4) Next, a pre-annealing was performed at 650 ° C. using RTA and held for 1 minute to obtain a crystalline dense thin film. Further, annealing was performed by heating to 900 ° C. in an oxygen atmosphere using RTA, and holding for 1 minute. As a result, a piezoelectric thin film 4 having a thickness of 1.0 μm is obtained. The piezoelectric thin film can be manufactured by a sputtering method.
次に、図５に示すように上電極５上にネガレジスト６（ＨＲ−１００：富士ハント）をスピンコートして塗布する。マスクによりネガレジスト６を圧電体薄膜の所望の位置に露光・現像・ベークし、図６に示すように硬化したネガレジスト７を形成する。ネガレジストに代えて、ポジレジストを使用することもできる。 Next, as shown in FIG. 5, a negative resist 6 (HR-100: Fuji Hunt) is applied on the upper electrode 5 by spin coating. The negative resist 6 is exposed, developed, and baked at a desired position of the piezoelectric thin film by using a mask to form a cured negative resist 7 as shown in FIG. A positive resist can be used instead of the negative resist.
この状態でドライエッチング装置例えばイオンミリング装置で図７に示すように共通電極３が露出するまで上電極５と圧電体薄膜４とを同時に一括でエッチングして、両者をネガレジスト６で形成した所望の形状に合わせて同一形状でパターニングする。 In this state, the upper electrode 5 and the piezoelectric thin film 4 are simultaneously etched simultaneously by a dry etching apparatus such as an ion milling apparatus until the common electrode 3 is exposed as shown in FIG. Is patterned in the same shape in accordance with the shape of.
最後に、アッシング装置で硬化したネガレジスト７を除去して、図８に示すようにパターニングが完了する。なお、イオンミリング装置では、エッチングした上電極や圧電体薄膜と共にネガレジストもエッチングされるため、エッチング深さによって各々のエッチングレートに鑑み、ネガレジストの厚さを調整することが望まれる。本実施例の場合、各々のエッチングレートがほぼ同程度であるためネガレジストの厚さを２μｍに調整して行った。 (5) Finally, the hardened negative resist 7 is removed by the ashing device, and the patterning is completed as shown in FIG. In the ion milling apparatus, since the negative resist is etched together with the etched upper electrode and piezoelectric thin film, it is desired to adjust the thickness of the negative resist in consideration of the etching rate depending on the etching depth. In the case of the present embodiment, since the respective etching rates were substantially the same, the thickness of the negative resist was adjusted to 2 μm.
上電極と圧電体薄膜を一括エッチングする上で、圧電体薄膜の膜厚はより薄い方が好ましく、特に、０．３〜５μｍの範囲であることが好ましい。膜厚が厚くなると、それに対応してレジストの厚さも厚くしなければならない。その結果、圧電体薄膜が５μｍを超える場合は、レジストのパターン形状が不安定になる等の問題で、微細加工が困難になり高密度のヘッドが得られなくなる。また、膜厚が０．３μｍより小さい場合では、破壊耐圧が十分でないおそれがある。 (4) In etching the upper electrode and the piezoelectric thin film collectively, the thickness of the piezoelectric thin film is preferably thinner, and particularly preferably in the range of 0.3 to 5 μm. As the film thickness increases, so must the resist thickness. As a result, when the thickness of the piezoelectric thin film exceeds 5 μm, fine processing becomes difficult and a high-density head cannot be obtained due to problems such as an unstable resist pattern shape. If the film thickness is smaller than 0.3 μm, the breakdown voltage may not be sufficient.
ドライエッチング方法としてイオンミリング法以外に反応性イオンエッチングを用いても良い。また、エッチング方法は他にもウエットで行うことができる。
例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸等の酸を加熱してエッチャントとして用いることができる。ただしこの場合は、上電極の電極材質をエッチャントでエッチングされるものにする。ウエット処理は、ドライエッチングと比較するとパターニング精度が多少劣り、電極材料にも制限があるため、ドライエッチングの方が好ましい。
As the dry etching method, reactive ion etching may be used other than the ion milling method. In addition, the etching method can be performed wet.
For example, an acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, or hydrofluoric acid can be heated and used as an etchant. However, in this case, the electrode material of the upper electrode is to be etched with an etchant. In the wet processing, the patterning accuracy is somewhat inferior to the dry etching, and the electrode material is limited. Therefore, the dry etching is preferable.
インクジェット式記録ヘッドを完成するために、図９に示すようにヘッド基台１下面（圧電体薄膜を形成した反対面）より異方性エッチングにより幅０．１ｍｍのインク圧力室９とインク圧力室へインクを供給するインク供給路、インク供給路に連通するインクリザーバーを形成し、インク圧力室９に対応した位置にインクを吐出するノズルを形成したノズルプレート１０を接合した。なお、共通電極３は、複数の圧電体薄膜パターン４に及んで前記酸化膜２上に形成されている。 In order to complete the ink jet type recording head, as shown in FIG. 9, an ink pressure chamber 9 having a width of 0.1 mm and an ink pressure chamber having a width of 0.1 mm are anisotropically etched from the lower surface of the head base 1 (the opposite surface on which the piezoelectric thin film is formed). An ink supply path for supplying ink to the ink supply path and an ink reservoir communicating with the ink supply path were formed, and a nozzle plate 10 having nozzles for discharging ink at a position corresponding to the ink pressure chamber 9 was joined. The common electrode 3 is formed on the oxide film 2 over a plurality of piezoelectric thin film patterns 4.
図１０は以上の工程によって形成されたインクジェット記録ヘッドを示す。このインクジェット記録ヘッドは、圧電体薄膜４と上電極とが同一のドライエッチング工程で一度にエッチングされるために、両者にパターンのずれがなく、両者が正に一致するパターンを備える。したがって、この記録ヘッドは、図１１の記録ヘッドと比較して、インク圧力室上の上電極の共通電極表面に対向した投影面積が圧電体薄膜上面の略平面の面積と同一でないヘッドと比較すると、圧電体薄膜全体に有効な電界が印可され、圧電体薄膜の性能を充分引き出し吐出特性が向上する。さらに、圧電体薄膜の変形しない部分が無く、上電極の圧電体薄膜の幅方向中心からのずれに起因する吐出特性の低下、不安定さが無い。 FIG. 10 shows an ink jet recording head formed by the above steps. In this ink jet recording head, since the piezoelectric thin film 4 and the upper electrode are etched at the same time in the same dry etching step, there is no pattern shift between the two, and the two are provided with a pattern that coincides positively. Therefore, this recording head is different from the recording head of FIG. 11 in that the projected area of the upper electrode on the ink pressure chamber facing the common electrode surface is not the same as the substantially planar area of the upper surface of the piezoelectric thin film. Thus, an effective electric field is applied to the entire piezoelectric thin film, and the performance of the piezoelectric thin film is sufficiently extracted to improve the ejection characteristics. Furthermore, there is no portion of the piezoelectric thin film that is not deformed, and there is no deterioration or instability in the ejection characteristics due to the displacement of the upper electrode from the center of the piezoelectric thin film in the width direction.
次に本発明の他の実施形態について説明する。図１２にインクジェット記録ヘッドの断面構造を示す。基板ＳＩの壁に隔てられた溝状のインク溜まりＩＴを覆うように振動板ＶＰとＢＥが被着形成されている。ＢＥは圧電体薄膜の共通電極をかねている。 Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 shows a cross-sectional structure of the ink jet recording head. Vibrating plates VP and BE are formed so as to cover the groove-shaped ink reservoir IT separated by the wall of the substrate SI. BE also serves as a common electrode of the piezoelectric thin film.
振動板兼電極ＢＥの厚みは、圧電体薄膜に被着形成されている領域より、圧電体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域で薄くなっている。電極兼振動板ＢＥに所望の形にパターニングされた圧電体薄膜ＰＺが被着形成し、圧電体薄膜の電極ＢＥに関して反対の面に別の上電極ＵＥが形成されている。振動板ＶＰに対して反対側の基板ＳＩの壁の面に、ノズルプレートＮＢを張り付け、インク溜まりＩＴを形成した。ノズルプレートＮＢにはインクの吐出孔ＮＨが設置されている。 (4) The thickness of the diaphragm / electrode BE is thinner in a region where the piezoelectric thin film is not formed and overlaps the ink reservoir IT than in a region where the piezoelectric thin film is formed. A piezoelectric thin film PZ patterned in a desired shape is formed on the electrode / vibration plate BE, and another upper electrode UE is formed on the surface of the piezoelectric thin film opposite to the electrode BE. The nozzle plate NB was attached to the wall surface of the substrate SI opposite to the vibration plate VP to form an ink reservoir IT. The nozzle plate NB is provided with ink discharge holes NH.
この構成の圧電体薄膜に電圧を印加すると、インク溜まり直上の振動板ＶＰとＢＥは、インク溜まり側に凸状に変形した。この変形前後のインク溜まりの体積差のインクが吐出孔ＮＨから出ることにより、印字が可能になる。 す る と When a voltage was applied to the piezoelectric thin film having this configuration, the diaphragms VP and BE immediately above the ink reservoir were deformed in a convex shape toward the ink reservoir. Printing can be performed by ejecting ink having a volume difference between the ink pools before and after the deformation from the ejection holes NH.
従来のインクジェットヘッドの構造では、圧電体薄膜に被着形成されている領域と、圧電体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域で、振動板の厚みが同じであったため、大きな変位が得られず、印字に必要な量のインクが吐出しない問題点があった。 In the structure of the conventional inkjet head, the thickness of the diaphragm is the same in the region where the piezoelectric thin film is formed and overlapped with the ink reservoir IT where the piezoelectric thin film is not formed and formed. There was a problem that a large displacement was not obtained and the ink required for printing was not ejected.
また、インク溜まりＩＴの十分な体積変化を得ようとすると、インク溜まりの長さを著しく大きくする必要があり、その結果、大きな面積のヘッドとなり取り扱いが非常に不便なものになる欠点があった。しかし、この実施例のように、圧電体薄膜に被着形成されている領域より、圧電体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域で、振動板の厚みを薄くすると、上記の問題点が一挙に解決した。 In addition, in order to obtain a sufficient volume change of the ink reservoir IT, it is necessary to remarkably increase the length of the ink reservoir. As a result, there is a disadvantage that the head becomes a large area and the handling becomes very inconvenient. . However, when the thickness of the diaphragm is reduced in a region where the piezoelectric thin film is not formed and is overlapped with the ink reservoir IT, as compared with the region where the piezoelectric thin film is formed and formed, as in this embodiment, The problem was solved at once.
つまり、領域Ｌｃｂの振動板のコンプライアンスが大きくなるので、同じ印加電圧ならば、従来より大きく振動板がたわむようになった。つまり、これによって従来より大きなインク溜まりの体積変化が得られるようになった。 That is, since the compliance of the diaphragm in the region Lcb increases, the diaphragm bends more than the conventional one at the same applied voltage. In other words, this makes it possible to obtain a larger change in the volume of the ink reservoir than before.
さらに、ＰＺＴ素子と電極の位置が素子毎にずれるため、素子毎に変位量が大きく異なるので、吐出するインク量が不均一なインクジェットプリンタヘッドとなる欠点があった。 (4) Further, since the positions of the PZT element and the electrode are shifted for each element, the amount of displacement is largely different for each element, so that there is a drawback that an ink jet printer head in which the amount of ejected ink is not uniform is obtained.
例えば、図１２の構造で、上電極ＵＥの材質がＰｔで厚みが１００ｎｍであり、圧電体薄膜ＰＺの圧電歪定数ｄ31が１００ｐＣ／ＮであるＰＺＴで、厚みが１０００ｎｍあり、上電極ＵＥとＰＺＴの幅Ｗｐｚが４０μmで、もう一方の電極を兼ねている振動板ＢＥの材質がＰｔで、図１で示すように圧電体薄膜に被着形成している領域の厚みｔａ１が８００ｎｍであり、圧電体薄膜に被着形成していない領域の厚みｔａ２が４００ｎｍであり、さらに振動板ＶＰの材質がシリコン酸化膜で、厚みが７００ｎｍである場合、圧電体薄膜ＰＺに印加する電圧が２０Ｖであるとき、振動板の最大変位量は、３００ｎｍであった。 For example, in the structure of FIG. 12, the material of the upper electrode UE is Pt, the thickness is 100 nm, the piezoelectric strain constant d31 of the piezoelectric thin film PZ is 100 pC / N, and the thickness is 1000 nm. The width Wpz is 40 μm, the material of the diaphragm BE also serving as the other electrode is Pt, and the thickness ta1 of the region formed on the piezoelectric thin film as shown in FIG. When the thickness ta2 of the region not adhered to the body thin film is 400 nm and the material of the vibration plate VP is a silicon oxide film and the thickness is 700 nm, the voltage applied to the piezoelectric thin film PZ is 20 V The maximum displacement of the diaphragm was 300 nm.
一方、振動板ＢＥの厚みｔａ１とｔａ２が８００ｎｍと同じである場合、他の条件が同じであるとき、振動板の最大変位量は２００ｎｍであった。従って、この実施例では、従来より５０％も大きな変位を得ることが可能になった。 On the other hand, when the thickness ta1 and ta2 of the diaphragm BE were the same as 800 nm, and when the other conditions were the same, the maximum displacement of the diaphragm was 200 nm. Therefore, in this embodiment, it is possible to obtain a displacement as much as 50% as compared with the related art.
前記の実施例のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェットプリンタは、インクの吐出量が従来より５０％も多いため、明瞭な画像の印字ができるようになった。また、前記の実施例のインクジェット式記録ヘッドを備えた、ワードプロセッサー機械とインクジェットプリンタを内蔵したコンピューターシステムは、インクの吐出量が従来より５０％も多いため、明瞭な画像の印字ができるようになった。 (4) The ink jet printer equipped with the ink jet type recording head of the above embodiment can print a clear image because the ink ejection amount is 50% larger than the conventional one. In addition, the computer system including the word processing machine and the ink jet printer having the ink jet recording head of the above-described embodiment can print a clear image because the ink discharge amount is 50% larger than the conventional one. Was.
図１２に示すインクジェット式記録ヘッドは、ｔａ１＞ｔａ２であるから、次のような利点もある。ＰＺＴ膜を熱処理する際６００℃まで及ぶと、鉛がシリコン基板（ＳＩ）に拡散して低融点の鉛ガラスが生じ、結晶欠損に到ることがある。ｔａ１＞ｔａ２であることにより、この問題を解決しながら、振動板を薄く形成することができる。 イ ン ク ジ ェ ッ ト The ink jet recording head shown in FIG. 12 also has the following advantages since ta1> ta2. If the temperature of the PZT film reaches 600 ° C. during the heat treatment, lead diffuses into the silicon substrate (SI) to generate low melting point lead glass, which may lead to crystal defects. When ta1> ta2, the diaphragm can be formed thin while solving this problem.
ｔａ１としては、圧電体薄膜ＰＺの結晶化のための熱処理において素子材料のＰＺＴの構成成分であるｐｂが拡散して振動板である酸化珪素に侵入し、低融点物である酸化鉛を形成することを防止するために、３００nm以上であること、更に、圧電体薄膜に電圧を印加する際に、１００nm以上の変位を確保するために９００nm以下であること、つまり、300nm≦ta1≦900nmの範囲にあることが好ましい。また、ｔａ２としては、振動板の材質の一つである酸化シリコン膜ＶＰの圧縮内部応力とバランスを確保するために、200nm以上であることが好ましい。両者の比(ta1)/(ta2)は、目的とする振動特性を得るために、適宜実験等によって決定されることができる。 As ta1, in the heat treatment for crystallization of the piezoelectric thin film PZ, pb, which is a component of PZT of the element material, diffuses and penetrates into the silicon oxide, which is a vibration plate, to form lead oxide, which is a low-melting substance. In order to prevent that, it is 300 nm or more, further, when applying a voltage to the piezoelectric thin film, it is 900 nm or less to ensure a displacement of 100 nm or more, that is, the range of 300 nm ≤ ta1 ≤ 900 nm Is preferred. Further, ta2 is preferably at least 200 nm in order to secure a balance with the compressive internal stress of the silicon oxide film VP, which is one of the materials of the diaphragm. The ratio (ta1) / (ta2) between the two can be appropriately determined by experiments or the like in order to obtain the desired vibration characteristics.
図１３に他のインクジェット式記録ヘッドの断面構造を示す。基板ＳＩの壁に隔てられた溝状のインク溜まりＩＴを覆うように振動板ＢＥが被着形成されている。ＢＥは圧電体薄膜の電極をかねている。振動板兼電極ＢＥの厚みは、圧電体薄膜に被着形成されている領域より、圧電体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域で薄くなっている。電極兼振動板ＢＥに所望の形にパターニングされた圧電体薄膜ＰＺが被着形成し、圧電体薄膜の電極ＢＥに関して反対の面に別の上電極ＵＥが形成されている。電極ＢＥに対して反対側の基板ＳＩの壁の面に、ノズルプレートＮＢを張り付け、インク溜まりＩＴを形成する。ノズルプレートＮＢにはインクの吐出孔ＮＨが設置されている。 FIG. 13 shows a cross-sectional structure of another ink jet recording head. A diaphragm BE is attached and formed so as to cover the groove-shaped ink reservoir IT separated by the wall of the substrate SI. BE also serves as an electrode of the piezoelectric thin film. The thickness of the diaphragm / electrode BE is smaller in a region where the piezoelectric thin film is not formed and overlaps with the ink reservoir IT than in a region where the piezoelectric thin film is formed. A piezoelectric thin film PZ patterned in a desired shape is formed on the electrode / vibration plate BE, and another upper electrode UE is formed on the surface of the piezoelectric thin film opposite to the electrode BE. A nozzle plate NB is attached to the surface of the wall of the substrate SI opposite to the electrode BE to form an ink reservoir IT. The nozzle plate NB is provided with ink discharge holes NH.
上電極ＵＥが、材質がＰｔで厚みが１００ｎｍであり、圧電体薄膜ＰＺの圧電歪定数ｄ31が１００ｐＣ／ＮであるＰＺＴで、厚みが１０００ｎｍあり、上電極ＵＥとＰＺＴの幅Ｗｐｚが４０μmで、もう一方の電極を兼ねている振動板ＢＥの材質がＰｔで、図２で示すように圧電体薄膜に被着形成している領域の厚みｔｂ１が８００ｎｍであり、圧電体薄膜に被着形成していない領域の厚みｔｂ２が４００ｎｍであり、振動板の最大変位量は、４００ｎｍであった。一方、振動板ＢＥの厚みｔｂ１とｔｂ２が８００ｎｍと同じである場合、他の条件が同じであるとき、振動板の最大変位量は３００ｎｍであった。従って、この実施例では、従来より約３０％も大きな変位を得ることが可能になった。 The upper electrode UE is PZT whose material is Pt, the thickness is 100 nm, and the piezoelectric thin film PZ has a piezoelectric strain constant d31 of 100 pC / N, the thickness is 1000 nm, the width Wpz of the upper electrode UE and the PZT is 40 μm, The material of the diaphragm BE also serving as the other electrode is Pt, and as shown in FIG. 2, the thickness tb1 of the region formed on the piezoelectric thin film is 800 nm. The thickness tb2 of the unexposed region was 400 nm, and the maximum displacement of the diaphragm was 400 nm. On the other hand, when the thicknesses tb1 and tb2 of the diaphragm BE were the same as 800 nm, and when the other conditions were the same, the maximum displacement of the diaphragm was 300 nm. Therefore, in this embodiment, it is possible to obtain a displacement about 30% larger than the conventional one.
図１４に他のインクジェット式記録ヘッドの断面構造を示す。基板ＳＩの壁に隔てられた溝状のインク溜まりＩＴを覆うように振動板ＶＰが被着形成されている。振動板ＶＰ上に電極ＢＥが帯状に形成されている。電極ＢＥは振動板も兼ねている。電極兼振動板ＢＥに所望の形にパターニングされた圧電体薄膜ＰＺが被着形成し、圧電体薄膜の電極ＢＥに関して反対の面に別の上電極ＵＥが形成されている。電極ＢＥに対して反対側の基板ＳＩの壁の面に、ノズルプレートＮＢを張り付け、インク溜まりＩＴを形成した。ノズルプレートＮＢにはインクの吐出孔ＮＨが設置されている。 FIG. 14 shows a cross-sectional structure of another ink jet recording head. The vibration plate VP is formed so as to cover the groove-shaped ink reservoir IT separated by the wall of the substrate SI. The electrode BE is formed in a belt shape on the diaphragm VP. The electrode BE also serves as a diaphragm. A piezoelectric thin film PZ patterned in a desired shape is formed on the electrode / vibration plate BE, and another upper electrode UE is formed on the surface of the piezoelectric thin film opposite to the electrode BE. The nozzle plate NB was attached to the surface of the wall of the substrate SI opposite to the electrode BE to form an ink reservoir IT. The nozzle plate NB is provided with ink discharge holes NH.
例えば、上電極ＵＥが、材質がＰｔで厚みが１００ｎｍであり、圧電体薄膜ＰＺがの圧電歪定数ｄ31が１００ｐＣ／ＮであるＰＺＴで、厚みが１０００ｎｍあり、上電極ＵＥとＰＺＴの幅Ｗｐｚが４０μmで、もう一方の電極を兼ねている振動板ＢＥの材質がＰｔで、図３で示すように圧電体薄膜に被着形成している領域の厚みｔｃ１が８００ｎｍであり、圧電体薄膜に被着形成していない領域の厚みｔｃ２が４００ｎｍであり、振動板の最大変位量は、４００ｎｍであった。一方、振動板の厚みｔｃ１とｔｃ２が８００ｎｍと同じである場合、他の条件が同じであるとき、振動板の最大変位量は３００ｎｍであった。従って、この実施例では、従来より約３０％も大きな変位を得ることが可能になった。 For example, the upper electrode UE is made of PZT whose material is Pt and has a thickness of 100 nm, the piezoelectric thin film PZ has a piezoelectric strain constant d31 of 100 pC / N, has a thickness of 1000 nm, and has a width Wpz between the upper electrode UE and PZT. The material of the diaphragm BE also serving as the other electrode is Pt, and the thickness tc1 of the region formed on the piezoelectric thin film is 800 nm as shown in FIG. The thickness tc2 of the non-adhered region was 400 nm, and the maximum displacement of the diaphragm was 400 nm. On the other hand, when the thicknesses tc1 and tc2 of the diaphragm are the same as 800 nm, and when the other conditions are the same, the maximum displacement of the diaphragm was 300 nm. Therefore, in this embodiment, it is possible to obtain a displacement about 30% larger than the conventional one.
図１５に他のインクジェットプリンタヘッドの断面構造を示す。基板ＳＩの壁に隔てられた溝状のインク溜まりＩＴを覆うように振動板ＶＰが被着形成されている。振動板ＶＰ上に電極ＢＥが帯状に形成されている。電極ＢＥは振動板も兼ねている。振動板ＶＰの厚みは、圧電体薄膜に被着形成されている領域より、圧電体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域で薄くなっている。電極兼振動板ＢＥに所望の形にパターニングされた圧電体薄膜ＰＺが被着形成し、圧電体薄膜の電極ＢＥに関して反対の面に別の上電極ＵＥが形成されている。電極ＢＥに対して反対側の基板ＳＩの壁の面に、ノズルプレートＮＢを張り付け、インク溜まりＩＴを形成した。ノズルプレートＮＢにはインクの吐出孔ＮＨが設置されている。 FIG. 15 shows a cross-sectional structure of another ink jet printer head. The vibration plate VP is formed so as to cover the groove-shaped ink reservoir IT separated by the wall of the substrate SI. The electrode BE is formed in a belt shape on the diaphragm VP. The electrode BE also serves as a diaphragm. The thickness of the vibration plate VP is smaller in a region where the piezoelectric thin film is not formed and is overlapped with the ink reservoir IT than in a region where the piezoelectric thin film is formed and bonded. A piezoelectric thin film PZ patterned in a desired shape is formed on the electrode / vibration plate BE, and another upper electrode UE is formed on the surface of the piezoelectric thin film opposite to the electrode BE. The nozzle plate NB was attached to the surface of the wall of the substrate SI opposite to the electrode BE to form an ink reservoir IT. The nozzle plate NB is provided with ink discharge holes NH.
例えば、上電極ＵＥが、材質がＰｔで厚みが１００ｎｍであり、圧電体薄膜ＰＺがの圧電歪定数ｄ31が１００ｐＣ／ＮであるＰＺＴで、厚みが１０００ｎｍあり、上電極ＵＥとＰＺＴの幅Ｗｐｚが４０μmで、もう一方の電極を兼ねている振動板ＢＥの材質がＰｔで、図１５で示すように圧電体薄膜に被着形成している領域の厚みｔｄ１が８００ｎｍであり、圧電体薄膜に被着形成していない領域の厚みｔｄ２が４００ｎｍであり、振動板の最大変位量は、４００ｎｍであった。
一方、振動板の厚みｔｄ１とｔｄ２が８００ｎｍと同じである場合、他の条件が同じであるとき、振動板の最大変位量は３００ｎｍであった。従って、この実施例では、従来より約３０％も大きな変位を得ることが可能になった。
For example, the upper electrode UE is made of PZT whose material is Pt and has a thickness of 100 nm, the piezoelectric thin film PZ has a piezoelectric strain constant d31 of 100 pC / N, has a thickness of 1000 nm, and has a width Wpz between the upper electrode UE and PZT. The material of the diaphragm BE also serving as the other electrode is Pt, and the thickness td1 of the region formed on the piezoelectric thin film is 800 nm as shown in FIG. The thickness td2 of the non-adhered region was 400 nm, and the maximum displacement of the diaphragm was 400 nm.
On the other hand, when the thicknesses td1 and td2 of the diaphragm are the same as 800 nm, and when the other conditions are the same, the maximum displacement of the diaphragm was 300 nm. Therefore, in this embodiment, it is possible to obtain a displacement about 30% larger than the conventional one.
次に、この図１２に示すインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。図１６に示すような基板ＳＩ表面上に、図１７に示すように絶縁膜ＳＤを成膜する。次に、図１８に示すように基板ＳＩの片面上の絶縁膜ＳＤ上に導電性膜である振動板兼電極ＢＥを被着形成する。 Next, a method of manufacturing the ink jet recording head shown in FIG. 12 will be described. An insulating film SD is formed on the surface of the substrate SI as shown in FIG. 16 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 18, a diaphragm / electrode BE which is a conductive film is formed on the insulating film SD on one surface of the substrate SI.
次に、図１９に示すように導電性膜である振動板兼電極ＢＥ上に圧電体薄膜ＰＺを被着形成する。次に、図２０に示すように圧電体薄膜ＰＺ上に第２の上電極ＵＥを被着形成する。次に、図２１に示すように、圧電体薄膜ＰＺが形成されていない側の基板ＳＩ表面上の絶縁膜ＳＤ上に、パターニングされたマスク材ＲＳを被着形成する。 Next, as shown in FIG. 19, a piezoelectric thin film PZ is formed on the diaphragm / electrode BE which is a conductive film. Next, as shown in FIG. 20, a second upper electrode UE is formed on the piezoelectric thin film PZ. Next, as shown in FIG. 21, a patterned mask material RS is formed on the insulating film SD on the surface of the substrate SI on which the piezoelectric thin film PZ is not formed.
次に、図２２に示すように、絶縁膜ＳＤをマスクＲＳに従ってエッチング除去しパターニングされた絶縁膜ＥＳＤを形成する。次に、図２３に示すようにマスク材ＲＳを剥離除去する。次に、図２４に示すように第２の上電極ＵＥ上に、パターニングされた絶縁膜ＥＳＤに重ならない領域ができるようにマスク材ＲＳＤを被着形成する。次に図２５に示すように、エッチングされた上電極ＥＵＥを第１のエッチング方法によってマスク材ＲＳＤに従ってパターニングする。 Next, as shown in FIG. 22, the insulating film SD is removed by etching according to the mask RS to form a patterned insulating film ESD. Next, as shown in FIG. 23, the mask material RS is peeled and removed. Next, as shown in FIG. 24, a mask material RSD is formed on the second upper electrode UE so that a region that does not overlap the patterned insulating film ESD is formed. Next, as shown in FIG. 25, the etched upper electrode EUE is patterned according to the mask material RSD by the first etching method.
次に、図２６に示すように圧電体薄膜ＰＺを第２のエッチング方法によってマスク材ＲＳＤに従ってパターニングする。次に、図２７に示すように第３のエッチング方法によって、厚みｔｚ１の第１の導電性膜である振動板兼電極ＢＥをｔｚ２の厚みを残すように表面からｔｚ３の厚みをエッチング除去する。 Next, as shown in FIG. 26, the piezoelectric thin film PZ is patterned according to the mask material RSD by the second etching method. Next, as shown in FIG. 27, the thickness tz3 of the diaphragm / electrode BE, which is the first conductive film having the thickness tz1, is etched away from the surface so as to leave the thickness tz2 by a third etching method.
次に、図２８に示すように、マスク材ＲＳＤを剥離除去する。次に、図２９に示すように、エッチングされた絶縁膜ＥＳＤをマスク材として基板ＳＩをエッチング除去し、溝ＣＶを形成する。 Next, as shown in FIG. 28, the mask material RSD is peeled and removed. Next, as shown in FIG. 29, the substrate SI is etched away using the etched insulating film ESD as a mask material to form a groove CV.
さらに、図３０に示すようにエッチングされた絶縁膜ＥＳＤに接触するように、吐出孔ＮＨが設けられたノズルプレートＮＢを貼り付けインク溜まりＩＴを形成し、インクジェットプリンタヘッド基板を造る。 (4) Further, as shown in FIG. 30, a nozzle plate NB provided with a discharge hole NH is attached so as to be in contact with the etched insulating film ESD, and an ink reservoir IT is formed to form an ink jet printer head substrate.
上記の上電極ＵＥ、圧電体薄膜ＰＺおよび導電性膜である振動板兼電極ＢＥのパターニング形状を一致させるため、エッチング方法は、電界や電磁界で高エネルギー化した粒子を照射し、材質によらずエッチングできるエッチング方法がよい。 In order to match the patterning shapes of the upper electrode UE, the piezoelectric thin film PZ, and the diaphragm / electrode BE, which is a conductive film, the etching method involves irradiating particles whose energy has been increased by an electric field or an electromagnetic field. It is preferable to use an etching method that can perform etching without using a mask.
図１６に示すように、１００℃、６０％の硝酸溶液で３０分以上洗浄し、表面を清浄にした単結晶シリコン基板ＳＩを用意した。単結晶シリコン基板の面方向は（１１０）面である。この面方向は（１１０）面に限らず、インク供給路の形成パターンに応じて採用すればよい。 よ う As shown in FIG. 16, a single crystal silicon substrate SI whose surface was cleaned by washing with a nitric acid solution at 100 ° C. and 60% for 30 minutes or more was prepared. The plane direction of the single crystal silicon substrate is the (110) plane. This plane direction is not limited to the (110) plane, and may be adopted according to the formation pattern of the ink supply path.
次に、図１７に示すように単結晶シリコン基板ＳＩの表面に、絶縁膜ＳＤを形成した。具体的には、熱酸化炉の中に単結晶シリコン基板ＳＩを挿入し、純度99.999％以上の酸素を酸化炉中に導入して、温度1100℃、５時間でシリコン酸化膜を１μmの厚みで形成した。熱酸化膜の形成方法はこれに限らず、例えばウェット酸化によるシリコン酸化膜や、減圧化学気相成長法、常圧化学気相成長法、電子サイクロトロン共鳴化学気相成長法によるシリコン酸化膜でも良い。 Next, as shown in FIG. 17, an insulating film SD was formed on the surface of the single crystal silicon substrate SI. Specifically, a single-crystal silicon substrate SI is inserted into a thermal oxidation furnace, oxygen having a purity of 99.999% or more is introduced into the oxidation furnace, and a silicon oxide film is formed in a thickness of 1 μm at a temperature of 1100 ° C. for 5 hours. Formed. The method for forming the thermal oxide film is not limited to this, and may be, for example, a silicon oxide film by wet oxidation, or a silicon oxide film by reduced pressure chemical vapor deposition, atmospheric pressure chemical vapor deposition, or electron cyclotron resonance chemical vapor deposition. .
次に、図１８に示すように単結晶シリコン膜ＳＤの片面に形成されたシリコン酸化膜ＳＤ上に、インクジェットプリンタヘッドの振動板を兼ねた圧電体薄膜の電極ＢＥを被着形成した。電極ＢＥの形成方法は、スパッタ法、蒸着法、有機金属化学気相成長法、メッキ法のいずれの方法でも良い。また、電極ＢＥの材質は、導電性物質であり、アクチュエーターの振動板として機械的耐性のあるものであればよい。 Next, as shown in FIG. 18, a piezoelectric thin film electrode BE also serving as a vibration plate of an ink jet printer head was formed on the silicon oxide film SD formed on one surface of the single crystal silicon film SD. The method for forming the electrode BE may be any of a sputtering method, an evaporation method, a metal organic chemical vapor deposition method, and a plating method. In addition, the material of the electrode BE may be a conductive material, as long as it has mechanical resistance as a diaphragm of the actuator.
スパッタ法による厚みが８００ｎｍの白金の電極ＢＥの形成方法を説明すると、ロードロック室を設けた枚葉式のスパッタ装置を用いて、初期真空度１０-7torr以下で表面にシリコン酸化膜を形成したシリコン基板を反応室に導入し、圧力0.6Pa、スパッタガスであるArの流量が５０sccmであり、基板温度250℃で、出力が１kWで、時間２０分の条件で、厚みが800nmの白金薄膜をシリコン酸化膜上に被着形成した。シリコン酸化膜上の白金薄膜は、例えばＡｌやＣｒなどの反応性に富む金属膜に比べて著しく密着性が劣るので、シリコン酸化膜と白金薄膜の間に、数ｎｍから数十ｎｍの厚みのチタニア薄膜を成膜して、十分な密着力を確保している。 A method for forming a platinum electrode BE having a thickness of 800 nm by a sputtering method will be described. A silicon oxide film is formed on the surface at an initial degree of vacuum of 10 -7 torr or less using a single wafer type sputtering apparatus provided with a load lock chamber. A silicon substrate was introduced into the reaction chamber, and a pressure of 0.6 Pa, a flow rate of Ar as a sputtering gas was 50 sccm, a substrate temperature of 250 ° C., an output of 1 kW, and a time of 20 minutes, a platinum thin film having a thickness of 800 nm was formed. It was deposited on a silicon oxide film. Since a platinum thin film on a silicon oxide film has significantly poor adhesion compared to a highly reactive metal film such as Al or Cr, a thickness of several nanometers to several tens of nanometers is formed between the silicon oxide film and the platinum thin film. A titania thin film is formed to ensure sufficient adhesion.
次に、図１９に示すように、電極ＢＥ上に圧電体薄膜ＰＺを被着形成した。圧電体薄膜ＰＺの材質は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいは、各種不純物が入ったチタン酸ジルコン酸鉛のいずれかであるが、本発明は、いずれの圧電体薄膜でも利用できる。 Next, as shown in FIG. 19, a piezoelectric thin film PZ was formed on the electrode BE. The material of the piezoelectric thin film PZ is either lead zirconate titanate or lead zirconate titanate containing various impurities, but the present invention can be used with any piezoelectric thin film.
圧電体薄膜の形成方法は、ゾル状態の鉛、チタン、ジルコニウムを含有した有機金属溶液をスピンコーティング法で成膜し、ラピットサーマルアニーリング法により焼成固化し、セラミック状態の圧電体薄膜ＰＺにした。圧電体薄膜ＰＺの厚みは約１μmである。チタン酸ジルコン酸鉛の圧電体薄膜ＰＺの製造方法には、このほかにスパッタ法がある。 The method for forming the piezoelectric thin film was to form an organic metal solution containing lead, titanium, and zirconium in a sol state by spin coating, and then sinter and solidify by a rapid thermal annealing method to obtain a ceramic thin film PZ. The thickness of the piezoelectric thin film PZ is about 1 μm. As a method of manufacturing the piezoelectric thin film PZ of lead zirconate titanate, there is another sputtering method.
次に、図２０に示すように、圧電体薄膜ＰＺ上に圧電体薄膜に電圧を印加するためのもう一方の上電極ＵＥを被着形成した。上電極ＵＥの材質は導電性膜であり、好ましくは白金薄膜、アルミニウム薄膜、シリコンと銅を不純物として含んだアルミニウム薄膜、クロム薄膜などの金属薄膜がよい。ここでは、特に白金薄膜を利用した。白金薄膜はスパッタ法で成膜し、厚みは１００ｎｍから２００ｎｍである。白金薄膜の他、ヤング率が小さなアルミニウム薄膜が利用できた。 Next, as shown in FIG. 20, another upper electrode UE for applying a voltage to the piezoelectric thin film was formed on the piezoelectric thin film PZ. The material of the upper electrode UE is a conductive film, preferably a metal thin film such as a platinum thin film, an aluminum thin film, an aluminum thin film containing silicon and copper as impurities, and a chromium thin film. Here, in particular, a platinum thin film was used. The platinum thin film is formed by a sputtering method, and has a thickness of 100 nm to 200 nm. In addition to the platinum thin film, an aluminum thin film having a small Young's modulus could be used.
次に、図２１に示すように、単結晶シリコン基板ＳＤの圧電体薄膜が形成されていない側のシリコン酸化膜ＳＤ上に、フォトリソグラフィー法によってインク供給路状にパターニングされたレジスト薄膜ＲＳを被着形成した。 Next, as shown in FIG. 21, a resist thin film RS patterned in the shape of an ink supply path by photolithography is coated on the silicon oxide film SD of the single crystal silicon substrate SD on which the piezoelectric thin film is not formed. Formed.
次に、図２２に示すように、レジスト薄膜ＲＳに被覆されていない領域のシリコン酸化膜ＳＤをエッチング除去した。エッチング方法は、フッ酸あるいはフッ酸とフッ化アンモニウムの混合液を利用した湿式エッチング方法、または、ラジカル化したフレオンガスをエッチャントに用いたドライエッチング法のいずれでも本発明を実行できる。 Next, as shown in FIG. 22, the silicon oxide film SD in a region not covered with the resist thin film RS was removed by etching. The present invention can be carried out by either a wet etching method using hydrofluoric acid or a mixture of hydrofluoric acid and ammonium fluoride, or a dry etching method using radicalized freon gas as an etchant.
次に、図２３に示すようにマスク材のレジスト薄膜ＲＳを剥離除去する。除去方法は、フェノールを含んだ有機溶媒へ圧電体薄膜を形成したシリコン基板を浸漬し、９０℃で３０ｍｉｎ加熱した。あるいは酸素を反応ガスに利用した高周波プラズマ発生装置で除去する方法でも容易に除去できる。 Next, as shown in FIG. 23, the resist thin film RS of the mask material is peeled and removed. In the removal method, the silicon substrate on which the piezoelectric thin film was formed was immersed in an organic solvent containing phenol, and heated at 90 ° C. for 30 minutes. Alternatively, it can be easily removed by a method of removing oxygen with a high-frequency plasma generator using a reaction gas.
次に、図２４に示すように、単結晶シリコン基板ＳＩのシリコン酸化膜を除去した領域に重なり、シリコン酸化膜を除去した領域よりも狭い領域になるよう、上電極ＵＥ上にフォトリソグラフィー法によってパターニングした第２のレジスト薄膜ＲＳＤを被着形成した。 Next, as shown in FIG. 24, a photolithography method is performed on the upper electrode UE so as to overlap with the region of the single crystal silicon substrate SI from which the silicon oxide film has been removed and to have a region smaller than the region from which the silicon oxide film has been removed. A patterned second resist thin film RSD was deposited.
次に、図２５に示すようにレジスト薄膜ＲＳＤをマスクとして、上電極ＵＥをエッチング除去しパターニングされた電極ＥＵＥを形成した。エッチング方法は、上電極ＵＥの材質が白金薄膜である場合、５００〜８００ｅＶの高エネルギーであるアルゴンイオンを白金薄膜に照射することによる、いわゆるイオンミーリング法である。 Next, as shown in FIG. 25, using the resist thin film RSD as a mask, the upper electrode UE was removed by etching to form a patterned electrode EUE. When the material of the upper electrode UE is a platinum thin film, the etching method is a so-called ion milling method by irradiating the platinum thin film with high-energy argon ions of 500 to 800 eV.
次に、図２６に示すようにレジスト薄膜ＲＳＤを残したまま、上電極ＵＥのエッチングに続いて圧電体薄膜ＰＺをエッチングした。エッチング方法は、５００〜８００ｅＶの高エネルギーであるアルゴンイオンを圧電体薄膜に照射することによる、いわゆるイオンミーリング法である。 Next, as shown in FIG. 26, while the resist thin film RSD was left, the piezoelectric thin film PZ was etched following the etching of the upper electrode UE. The etching method is a so-called ion milling method by irradiating the piezoelectric thin film with argon ions having high energy of 500 to 800 eV.
次に、図２７に示すようにレジスト薄膜ＲＳＤを残したまま、電極ＢＥをエッチングする。この電極ＢＥのエッチングは、全膜厚に渡ってエッチング除去するのではなく、図２７に示すようにｔｚ３の厚みで、つまり４００ｎｍの厚み分エッチング除去した。エッチング方法は、５００〜８００ｅＶの高エネルギーであるアルゴンイオンを圧電体薄膜に照射することによる、いわゆるイオンミーリング法でエッチング除去した。 Next, the electrode BE is etched while the resist thin film RSD is left as shown in FIG. The electrode BE was not etched and removed over the entire film thickness, but was removed by etching with a thickness of tz3, that is, a thickness of 400 nm as shown in FIG. The etching was performed by irradiating the piezoelectric thin film with argon ions having a high energy of 500 to 800 eV, so as to remove by a so-called ion milling method.
この実施形態のように、上電極ＵＥと圧電体薄膜ＰＺと電極ＢＥを連続して高エネルギーを持ったアルゴンイオンを照射することによって異方性エッチングすることによって、上電極ＵＥと圧電体薄膜ＰＺは同じマスク材であるレジスト薄膜ＲＳＤに従ってパターニングされるので、ズレが１μm以内で一致したパターン形状となる。また、圧電体薄膜ＰＺのパターンと電極ＢＥのエッチングされていない領域のずれも１μm以内となる。 As in this embodiment, the upper electrode UE, the piezoelectric thin film PZ, and the electrode BE are continuously anisotropically etched by irradiating high-energy argon ions to thereby form the upper electrode UE, the piezoelectric thin film PZ, and the piezoelectric thin film PZ. Are patterned in accordance with the resist thin film RSD, which is the same mask material, so that the pattern has a consistent shape within 1 μm. Further, the deviation between the pattern of the piezoelectric thin film PZ and the unetched region of the electrode BE is also within 1 μm.
このエッチングにより、被エッチング膜ばかりでなく、マスク材のレジスト薄膜もエッチングされる。この高エネルギーであるアルゴンイオンの照射による白金とノボラック樹脂系のレジスト薄膜のエッチング速度比は、２：１であり、チタン酸ジルコン酸鉛とノボラック樹脂系のレジストのエッチング速度比は、１：１であった。このため、マスク材のレジストＲＳＤの膜厚は１．８〜２．５μmの厚みとした。 エ ッ チ ン グ By this etching, not only the film to be etched but also the resist thin film of the mask material is etched. The etching rate ratio between the platinum and the novolak resin based resist thin film by the irradiation of this high energy argon ion is 2: 1 and the etching rate ratio between the lead zirconate titanate and the novolak resin based resist is 1: 1. Met. For this reason, the thickness of the resist RSD of the mask material is set to a thickness of 1.8 to 2.5 μm.
次に、図２８に示すようにレジスト薄膜ＲＳＤを、フェノール系有機溶剤中で溶解除去、あるいは酸素ガスを用いた高周波プラズマエッチング装置を利用してレジスト薄膜を除去した。 Next, as shown in FIG. 28, the resist thin film RSD was dissolved and removed in a phenol-based organic solvent, or the resist thin film was removed using a high-frequency plasma etching apparatus using oxygen gas.
次に、図２９に示すように、単結晶シリコン基板ＳＤの圧電体薄膜が形成されていない側の面の、シリコン表面が露出している領域をエッチングし、溝ＣＶを形成した。このエッチング方法は、８０℃の５％〜４０％の水酸化カリウム水溶液中に、シリコン基板を８０分から３時間浸し、単結晶シリコン基板ＳＤの圧電体薄膜が形成されている側のシリコン酸化膜ＳＤが露出するまで、シリコンをエッチング除去する。このシリコンのエッチングの際には、圧電体薄膜がエッチング溶液に接触しないように、圧電体薄膜側のシリコン基板表面をエッチング溶液に侵されない保護膜を形成したり、隔壁を設けたりすればよい。 Next, as shown in FIG. 29, the surface of the single-crystal silicon substrate SD on which the piezoelectric thin film was not formed, where the silicon surface was exposed, was etched to form a groove CV. In this etching method, a silicon substrate is immersed in a 5% to 40% aqueous solution of potassium hydroxide at 80 ° C. for 80 minutes to 3 hours, and the silicon oxide film SD on the side of the single crystal silicon substrate SD on which the piezoelectric thin film is formed is formed. The silicon is etched away until is exposed. At the time of this silicon etching, a protective film may be formed so that the silicon substrate surface on the piezoelectric thin film side is not affected by the etching solution, or a partition may be provided so that the piezoelectric thin film does not come into contact with the etching solution.
単結晶シリコン基板の面が（１１０）面である場合、溝ＣＶを形成している壁の面が（１１１）面が現れるように、設計してあれば水酸化カリウム水溶液に対する単結晶シリコンの（１１１）面のエッチングレートは、（１１０）面に比べ１００〜２００分の１なので、溝ＣＶの壁は、単結晶シリコン基板のデバイス形成面に対して、ほとんど垂直に形成される。 If the surface of the single crystal silicon substrate is the (110) plane, if the wall forming the groove CV is designed so that the (111) plane appears, ( Since the etching rate of the (111) plane is 1/100 to 200 times smaller than that of the (110) plane, the wall of the groove CV is formed almost perpendicular to the device forming surface of the single crystal silicon substrate.
次に、図３０に示すように、上記のエッチングで形成された溝ＣＶを覆うように、厚み0.1mmから1mmのノズルプレートＮＢをシリコン酸化膜ＳＤ表面に貼り付け、インクが溜まるタンクＩＴを形成する。ノズルプレートＮＢの材質はステンレス、銅、プラスチック、シリコン基板などヤング率が高く、剛性が高いものである。また、貼り付け方法は、接着剤を用いたり、酸化シリコン膜ＳＤと板の間の静電気力による方法がある。このノズルプレートＮＢには、圧電体薄膜ＰＺの駆動で振動板兼電極ＢＥが振動することによって、溝ＣＶに溜まったインクを外界に出す吐出孔ＮＨが設けられている。 Next, as shown in FIG. 30, a nozzle plate NB having a thickness of 0.1 mm to 1 mm is attached to the surface of the silicon oxide film SD so as to cover the groove CV formed by the above-described etching, thereby forming a tank IT for storing ink. I do. The material of the nozzle plate NB is a material having high Young's modulus and high rigidity such as stainless steel, copper, plastic, and silicon substrate. In addition, as a bonding method, there is a method using an adhesive or a method using an electrostatic force between the silicon oxide film SD and the plate. The nozzle plate NB is provided with an ejection hole NH for discharging ink accumulated in the groove CV to the outside by vibrating the diaphragm / electrode BE by driving the piezoelectric thin film PZ.
次に図１３の実施形態の製造方法について説明する。この実施形態では、前記の図１６から図２９までの工程は同じである。図３１に示すように、図１９の工程の後、シリコンをエッチング除去して表面が露出している酸化シリコン膜を、フッ酸水溶液またはフッ酸とフッ化アンモニウム混合液でエッチング除去し、振動板兼電極ＢＥの表面を露出させる。 Next, the manufacturing method of the embodiment shown in FIG. 13 will be described. In this embodiment, the steps from FIG. 16 to FIG. 29 are the same. As shown in FIG. 31, after the step of FIG. 19, the silicon oxide film whose surface is exposed by etching away silicon is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution or a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. The surface of the common electrode BE is exposed.
酸化シリコン膜のエッチング方法は、この湿式エッチングばかりでなく、高周波で発生したプラズマを照射することによるドライエッチング法でもよい。 The method of etching the silicon oxide film may be not only the wet etching but also a dry etching method by irradiating a plasma generated at a high frequency.
次に、図３２に示すように、上記のエッチングで形成された溝ＣＶを覆うように、既述のズルプレートＮＢをシリコン酸化膜ＳＤ表面に貼り付ける。 (3) Next, as shown in FIG. 32, the above-described shift plate NB is attached to the surface of the silicon oxide film SD so as to cover the groove CV formed by the above-described etching.
次に図１４に示す実施の形態の製造方法について説明する。この実施形態では、前記の図１６から図２６までの工程は同じである。図３３に示すように、図２６の工程の後、第１の導電性膜である振動板兼電極ＢＥをマスク材ＲＳＤに従ってエッチング除去する。次に、図３４に示すようにマスク材ＲＳＤを剥離除去する。次に、図３５に示すように、パターニングされた絶縁膜ＥＳＤをマスクにして基板ＳＩをエッチング除去し溝ＣＶを形成する。 Next, the manufacturing method of the embodiment shown in FIG. 14 will be described. In this embodiment, the steps from FIG. 16 to FIG. 26 are the same. As shown in FIG. 33, after the step of FIG. 26, the diaphragm BE serving as the first conductive film is removed by etching according to the mask material RSD. Next, as shown in FIG. 34, the mask material RSD is peeled and removed. Next, as shown in FIG. 35, the substrate SI is removed by etching using the patterned insulating film ESD as a mask to form a groove CV.
次いで、図３６に示すように、溝ＣＶを覆うように、ノズルプレートＮＢをパターニングされた絶縁膜ＥＳＤに貼り付け、インク溜まりＩＴを形成し、インクジェット式記録ヘッド基板を造る。 Next, as shown in FIG. 36, a nozzle plate NB is attached to the patterned insulating film ESD so as to cover the groove CV, an ink reservoir IT is formed, and an ink jet recording head substrate is manufactured.
この実施形態では、マスク材のレジストＲＳＤの膜厚は２〜３μmの厚みとした。図３４示すようにレジスト薄膜ＲＳＤを、フェノール系有機溶剤中で溶解除去、あるいは酸素ガスを用いた高周波プラズマエッチング装置を利用してレジスト薄膜を除去した。 で は In this embodiment, the resist RSD of the mask material has a thickness of 2 to 3 μm. As shown in FIG. 34, the resist thin film RSD was dissolved and removed in a phenol-based organic solvent, or the resist thin film was removed using a high-frequency plasma etching apparatus using oxygen gas.
次に図１５の実施形態の製造方法について説明する。前記の図１６から図２６までの工程は同じである。 Next, the manufacturing method of the embodiment shown in FIG. 15 will be described. The steps from FIG. 16 to FIG. 26 are the same.
次に、図３７に示すように、図２６の工程の後、第１の導電性膜である振動板兼電極ＢＥをレジスト薄膜ＲＳＤをマスクにしてエッチング除去する。次に、図３８に示すように、厚みｔｄ１の絶縁膜ＶＰをマスク材ＲＳＤに従ってｔｄ２の厚みを残すように表面からｔｄ３分をエッチングする。次に、図３９に示すように、マスク材ＲＳＤを剥離除去する。 Next, as shown in FIG. 37, after the step of FIG. 26, the diaphragm / electrode BE as the first conductive film is removed by etching using the resist thin film RSD as a mask. Next, as shown in FIG. 38, the insulating film VP having the thickness td1 is etched from the surface by td3 in accordance with the mask material RSD so as to leave a thickness of td2. Next, as shown in FIG. 39, the mask material RSD is peeled and removed.
次に、図４０に示すように、エッチングされた絶縁膜ＥＳＤをマスク材として基板ＳＩをエッチング除去し、溝ＣＶを形成する。さらに、図４１に示すようにエッチングされた絶縁膜ＥＳＤに接触するように、吐出孔ＮＨが設けられたノズルプレートＮＢを貼り付けインク溜まりＩＴを形成し、インクジェット式記録ヘッド基板を造る。 (4) Next, as shown in FIG. 40, the substrate SI is etched away using the etched insulating film ESD as a mask material to form a groove CV. Further, as shown in FIG. 41, a nozzle plate NB provided with ejection holes NH is attached so as to be in contact with the etched insulating film ESD, and an ink reservoir IT is formed to manufacture an ink jet recording head substrate.
図３７に示すように、図２６の工程の後、振動板兼電極ＢＥをレジスト薄膜ＲＳＤをマスクにしてエッチング除去する。エッチング方法は、５００〜８００ｅＶの高エネルギーであるアルゴンイオンを振動板兼電極ＢＥに照射することによる、いわゆるイオンミーリング法である。このエッチング方法に限らず、異方性の高エネルギー粒子を照射して実施するドライエッチングならば振動板兼電極ＢＥをエッチング除去できる。 As shown in FIG. 37, after the step of FIG. 26, the diaphragm / electrode BE is removed by etching using the resist thin film RSD as a mask. The etching method is a so-called ion milling method by irradiating the diaphragm / electrode BE with argon ions having high energy of 500 to 800 eV. Not only this etching method but also dry etching performed by irradiating anisotropic high-energy particles can remove the diaphragm / electrode BE by etching.
次に、図３８に示すように、厚みｔｄ１の振動板ＶＰをレジスト薄膜ＲＳＤをマスクにしてｔｄ２の厚みを残すようにｔｄ３分の５００ｎｍの厚みの振動板ＶＰをエッチングする。 Next, as shown in FIG. 38, the diaphragm VP having a thickness of td1 and a thickness of 500 nm is etched using the resist thin film RSD as a mask so as to leave a thickness of td2.
この製造方法によっても、圧電体薄膜ＰＺのパターンと電極ＢＥのエッチングされていない領域のずれも１μm以内となる。なお、マスク材のレジストＲＳＤの膜厚は２．５〜３．５μmの厚みであった。 も According to this manufacturing method as well, the deviation between the pattern of the piezoelectric thin film PZ and the unetched region of the electrode BE is within 1 μm. The thickness of the resist RSD of the mask material was 2.5 to 3.5 μm.
次に、図３９に示すようにレジスト薄膜ＲＳＤを、フェノール系有機溶剤中で溶解除去、あるいは酸素ガスを用いた高周波プラズマエッチング装置を利用してレジスト薄膜を除去した。 Next, as shown in FIG. 39, the resist thin film RSD was dissolved and removed in a phenolic organic solvent, or the resist thin film was removed using a high-frequency plasma etching apparatus using oxygen gas.
次に、レジスト薄膜ＲＳＤを除去した後、図４０に示すように、単結晶シリコン基板ＳＤの圧電体薄膜が形成されていない側の面の、シリコン表面が露出している領域をエッチングし、溝ＣＶを形成した。このシリコンのエッチングの際には、圧電体薄膜がエッチング溶液に接触しないように、圧電体薄膜側のシリコン基板表面をエッチング溶液に侵されない保護膜を形成したり、隔壁を設けたりすればよい。 Next, after removing the resist thin film RSD, as shown in FIG. 40, a region of the single crystal silicon substrate SD on which the piezoelectric thin film is not formed, where the silicon surface is exposed, is etched to form a groove. A CV was formed. At the time of this silicon etching, a protective film may be formed so that the silicon substrate surface on the piezoelectric thin film side is not affected by the etching solution, or a partition may be provided so that the piezoelectric thin film does not come into contact with the etching solution.
次に、図４１に示すように、上記のエッチングで形成された溝ＣＶを覆うように、ノズルプレートＮＢをシリコン酸化膜ＳＤ表面に貼り付け、インクが溜まるタンクＩＴを形成する。 (4) Next, as shown in FIG. 41, a nozzle plate NB is attached to the surface of the silicon oxide film SD so as to cover the groove CV formed by the above-described etching, thereby forming a tank IT for storing ink.
以上説明したように、本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電体薄膜と電極とのパターンずれがないために圧電体薄膜に有効に電界印加され、十分な変位を得ることができ、結果的にはインクジェット式記録ヘッドの吐出性能が向上し、かつ安定する。さらに、マスク一枚で上電極と圧電体薄膜がパターニングされ生産性が向上する。 As described above, according to the ink jet recording head of the present invention, an electric field is effectively applied to the piezoelectric thin film because there is no pattern shift between the piezoelectric thin film and the electrode, and a sufficient displacement can be obtained. Specifically, the ejection performance of the ink jet recording head is improved and stabilized. Further, the upper electrode and the piezoelectric thin film are patterned with one mask, and the productivity is improved.
さらに、この記録ヘッドの構造は、インクを吐出するための能動素子の振動板の振動能力が、従来の構造に比べて格段に大きいことから、次の効果がある。 {Circle over (2)} The structure of the recording head has the following effects because the vibration capability of the diaphragm of the active element for ejecting ink is much larger than that of the conventional structure.
（１）振動板の振動量が大きいことから、インク保持室の体積変位が大きくなるので、従来より多量のインクを吐出可能となるので、より鮮明な印字品質を実現するインクジェットプリンタを構成できる。 (1) Since the volume of vibration of the vibrating plate is large, the volume displacement of the ink holding chamber becomes large, so that a larger amount of ink can be ejected than in the related art, so that an ink jet printer realizing clearer print quality can be configured.
（２）振動板の振動量が大きいことから、単位体積あたりのインク保持室の体積変位が大きくなるので、インク吐出量が従来と同じならば、従来より小さな体積のインク保持室を設置すればよいので、インクジェット式記録ヘッドの大きさが、従来より小さくなるので、よりコンパクトなインクジェット記録装置を構成できる。 (2) Since the volume of vibration of the vibration plate is large, the volume displacement of the ink holding chamber per unit volume is large. Since the size of the ink jet recording head is smaller than before, a more compact ink jet recording apparatus can be configured.
（３）振動板の振動量が大きいことから、圧電体薄膜の変位能力が従来より小さくてもインクジェット式記録ヘッドヘッドを構成できる。このため、圧電体薄膜が数μmでもよいので、バルクの圧電体薄膜を使用する必要が無くなり、スピンナーによる成膜や、スパッタ法による簡易的に圧電体素子を形成できる。このためインクジェット式記録へッドが大量生産が可能な薄膜プロセスで構成できるので、安価で高品質のインクジェット式記録ヘッドを提供できる。 (3) Since the vibration amount of the vibration plate is large, an ink jet recording head can be configured even if the displacement capability of the piezoelectric thin film is smaller than that of the related art. For this reason, since the piezoelectric thin film may have a thickness of several μm, it is not necessary to use a bulk piezoelectric thin film, and a piezoelectric element can be easily formed by spinner film formation or sputtering. For this reason, since the ink jet recording head can be constituted by a thin film process capable of mass production, an inexpensive and high quality ink jet recording head can be provided.
（４）高エネルギー粒子を照射するエッチング方法をパターニングに利用するため、圧電体薄膜、電圧を印加するための電極、およびコンプライアンス増加のそれぞれのエッチングパターンが非常に精度高く一致するため、素子毎の容量が揃うので、印字品質の均一性が極めて高いインクジェット式記録ヘッドを提供できる。 (4) Since the etching method of irradiating high-energy particles is used for patterning, the etching patterns of the piezoelectric thin film, the electrode for applying voltage, and the increase in compliance match very precisely, so that each element has Since the capacities are uniform, it is possible to provide an ink jet recording head having extremely high print quality uniformity.
１・・・ヘッド基台
２・・・シリコン熱酸化膜
３・・・共通電極
４・・・圧電体薄膜
５・・・上電極
６・・・ネガレジスト
７・・・硬化したネガレジスト
８・・・振動板
９・・・インク圧力室
１０・・・ノズルプレート
ＢＥ・・・振動板兼電極
ＣＶ・・・溝
ＥＳＤ・・パターニングされた絶縁膜
ＥＵＥ・・エッチングされた上電極
ＩＴ・・・インク溜まり
ＮＢ・・・ノズルプレート
ＮＨ・・・インク吐出孔
ＰＺ・・・圧電体薄膜
ＲＳ・・・マスク
ＲＳＤ・・マスク材
ＳＤ・・・絶縁膜
ＳＩ・・・基板
ＵＥ・・・電極
１０１・・・ヘッド基台
１０２・・・個別インク路
１０３・・・振動板
１０４・・・ＰＺＴ素子
１０５・・・共通電極
１０６・・・個別電極
ＶＰ・・・振動板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head base 2 ... Silicon thermal oxide film 3 ... Common electrode 4 ... Piezoelectric thin film 5 ... Upper electrode 6 ... Negative resist 7 ... Hardened negative resist 8. ··· Vibrating plate 9 ··· Ink pressure chamber 10 ··· Nozzle plate BE ··· Vibrating plate / electrode CV ··· Groove ESD ··· Patterned insulating film EUE ··· Etched upper electrode IT ··· Ink pool NB: Nozzle plate NH: Ink ejection hole PZ: Piezoelectric thin film RS: Mask RSD: Mask material SD: Insulating film SI: Substrate UE: Electrode 101: ..Head base 102 ... Individual ink path 103 ... Vibration plate 104 ... PZT element 105 ... Common electrode 106 ... Individual electrode VP ... Vibration plate
Claims (7)
前記絶縁膜上に第１の電極を被着形成する第２の工程と、
前記第１の電極上に圧電体薄膜を被着形成する第３の工程と、
前記圧電体薄膜上に第２の電極を被着形成する第４の工程と、
エッチング法により前記第２の電極と前記圧電体薄膜と前記第１の電極とを同一形状にパターニングし、続いてエッチング法により前記第１の電極に被着している領域外周における絶縁体膜を、前記第１の電極に被着している領域に比べ薄くする第５の工程と、を備えることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。 A first step of forming an insulating film on the substrate surface;
A second step of forming a first electrode on the insulating film;
A third step of depositing and forming a piezoelectric thin film on the first electrode;
A fourth step of depositing and forming a second electrode on the piezoelectric thin film;
The second electrode, the piezoelectric thin film, and the first electrode are patterned into the same shape by an etching method, and then, an insulating film on an outer periphery of a region attached to the first electrode is etched by an etching method. A fifth step of reducing the thickness of the ink jet recording head as compared with a region attached to the first electrode.
フォトリソグラフィー法により、第２の電極上にレジストをパターニングする工程と、
該レジストをマスクにして、第１のエッチング法により第２の電極と圧電体薄膜とをパターニングする工程と、
第２のエッチング法により、圧電体薄膜に被着していない領域における前記第１の電極を除去し、さらに連続して前記第１の電極に被着している領域外周における絶縁体膜を、前記第１の電極に被着している領域に比べ薄くする工程と、を含む請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。 The fifth step includes:
Patterning a resist on the second electrode by photolithography,
Patterning the second electrode and the piezoelectric thin film by a first etching method using the resist as a mask;
By the second etching method, the first electrode in a region not adhered to the piezoelectric thin film is removed, and the insulating film around the region continuously adhered to the first electrode is removed. 2. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, further comprising: a step of making the first electrode thinner than a region attached to the first electrode.
前記絶縁膜上に第1の電極を被着形成する第２の工程と、
前記第1の電極上に圧電体薄膜を被着形成する第３の工程と、
前記圧電体薄膜上に第２の電極を被着形成する第４の工程と、
前記第２の電極と前記圧電体薄膜を同一形状にパターニングし、圧電体薄膜に被着している領域外周における前記第１の電極を、前記圧電体薄膜に被着している領域に比べ薄くする第５の工程と、を備えることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、前記第５の工程が、
フォトリソグラフィー法により、前記第２の電極上にレジストをパターニングする工程と、
該レジストをマスクにして、第１のエッチング方法により前記第２の電極と前記圧電体薄膜をパターニングする工程と、
第２のエッチング方法により圧電体薄膜に被着している領域外周における前記第１の電極を、前記圧電体薄膜に被着している領域に比べ薄くする工程と、を含み、前記エッチング法が高エネルギー粒子を薄膜に照射する工程を含む、製造方法。
A first step of forming an insulating film on the substrate surface;
A second step of forming a first electrode on the insulating film;
A third step of depositing and forming a piezoelectric thin film on the first electrode;
A fourth step of depositing and forming a second electrode on the piezoelectric thin film;
The second electrode and the piezoelectric thin film are patterned into the same shape, and the first electrode on the outer periphery of the region attached to the piezoelectric thin film is thinner than the region attached to the piezoelectric thin film. A method of manufacturing an ink jet recording head, comprising:
Patterning a resist on the second electrode by photolithography,
Patterning the second electrode and the piezoelectric thin film by a first etching method using the resist as a mask;
Making the first electrode in the outer periphery of the region attached to the piezoelectric thin film by the second etching method thinner than the region attached to the piezoelectric thin film. A manufacturing method including a step of irradiating a thin film with high energy particles.
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