JP2013065671A - Thin film preparation apparatus, electromechanical conversion film prepared by the thin film preparation apparatus, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharge device - Google Patents
Thin film preparation apparatus, electromechanical conversion film prepared by the thin film preparation apparatus, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharge device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013065671A JP2013065671A JP2011202974A JP2011202974A JP2013065671A JP 2013065671 A JP2013065671 A JP 2013065671A JP 2011202974 A JP2011202974 A JP 2011202974A JP 2011202974 A JP2011202974 A JP 2011202974A JP 2013065671 A JP2013065671 A JP 2013065671A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- thin film
- solution
- electromechanical conversion
- irradiation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010408 film Substances 0.000 title claims description 185
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 65
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 55
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 68
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 31
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 65
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 54
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 description 41
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 description 39
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 32
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 description 21
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 13
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 13
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 11
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 9
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 229940046892 lead acetate Drugs 0.000 description 8
- -1 thread Substances 0.000 description 8
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 238000000935 solvent evaporation Methods 0.000 description 7
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 5
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 5
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 4
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- FIPWRIJSWJWJAI-UHFFFAOYSA-N Butyl carbitol 6-propylpiperonyl ether Chemical compound C1=C(CCC)C(COCCOCCOCCCC)=CC2=C1OCO2 FIPWRIJSWJWJAI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KQNKJJBFUFKYFX-UHFFFAOYSA-N acetic acid;trihydrate Chemical compound O.O.O.CC(O)=O KQNKJJBFUFKYFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N acetylacetone Chemical compound CC(=O)CC(C)=O YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000003158 alcohol group Chemical group 0.000 description 2
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005886 esterification reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229960005235 piperonyl butoxide Drugs 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- ZGSOBQAJAUGRBK-UHFFFAOYSA-N propan-2-olate;zirconium(4+) Chemical compound [Zr+4].CC(C)[O-].CC(C)[O-].CC(C)[O-].CC(C)[O-] ZGSOBQAJAUGRBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 150000003573 thiols Chemical class 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000877463 Lanio Species 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical group [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004121 SrRuO Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- ZBCBWPMODOFKDW-UHFFFAOYSA-N diethanolamine Chemical compound OCCNCCO ZBCBWPMODOFKDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 238000007644 letterpress printing Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- PXXKQOPKNFECSZ-UHFFFAOYSA-N platinum rhodium Chemical compound [Rh].[Pt] PXXKQOPKNFECSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
Description
本発明は、薄膜製造装置、該薄膜製造装置により製造した電気機械変換膜、電気機械変換素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus, an electromechanical conversion film manufactured by the thin film manufacturing apparatus, an electromechanical conversion element, a droplet discharge head, and a droplet discharge device.
従来、電気機械変換膜を電極で挟むように構成された電気機械変換素子は、例えばインクの液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備え、媒体を搬送しながらインク滴を用紙に付着させて画像形成を行うインクジェット記録装置で用いられている。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。 Conventionally, an electromechanical conversion element configured such that an electromechanical conversion film is sandwiched between electrodes includes, for example, a liquid discharge head that discharges ink droplets, and forms an image by adhering ink droplets to a sheet while conveying a medium. Used in an ink jet recording apparatus. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. The image forming apparatus means an apparatus for forming an image by discharging a liquid onto a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics. The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes liquid when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Use.
そして、上記インクジェット記録装置は、主として、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路室と称する液室と、該液室内のインクを吐出するための圧力発生手段とで構成されている。この圧力発生手段として、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型の圧力発生手段が知られている。このピエゾ型の圧力発生手段に使用される電気機械変換素子は、下部電極と、電気機械変換層と、上部電極とが積層したものからなる。各圧力室にインク吐出の圧力を発生させるのに個別の電気機械変換素子が配置されることになる。電気機械変換層は電気機械変換膜を形成する工程を複数回行って形成される。電気機械変換膜は例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が用いられ、これらは複数の金属酸化物を主成分としているので一般に金属複合酸化物と称される。 The ink jet recording apparatus mainly includes a nozzle that discharges ink droplets, a discharge chamber that communicates with the nozzle, a liquid chamber called a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, and an ink flow path chamber, and ink in the liquid chamber. And pressure generating means for discharging. As this pressure generating means, there is known a piezo-type pressure generating means for discharging ink droplets by deforming and displacing a vibration plate forming the wall surface of the discharge chamber using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element. . The electromechanical conversion element used for this piezoelectric type pressure generating means is formed by laminating a lower electrode, an electromechanical conversion layer, and an upper electrode. Individual electromechanical conversion elements are arranged to generate ink discharge pressure in each pressure chamber. The electromechanical conversion layer is formed by performing the process of forming the electromechanical conversion film a plurality of times. For example, lead zirconate titanate (PZT) is used as the electromechanical conversion film, and these are generally referred to as metal composite oxides because they contain a plurality of metal oxides as main components.
この電気機械変換膜の製造方法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法、レーザブレーション法等があるが、これらのうち、ゾルの塗布、乾燥、熱分解、結晶化という工程により成膜するゾルゲル法は、結晶状態の制御性に優れている。このゾルゲル法を用いた電気機械変換膜の製造方法として、特許文献1に記載のものが知られている。この特許文献1の製造方法では、下部電極となる白金は濡れ性が強く、下部電極の表面は親液性の特性を有する親液面となる。そして、上記PZTの成分を含む溶液が下部電極の表面に塗布されると、その表面は濡れ性が弱くなり、疎液性の特性を有する疎液面となる。そして、塗布された上記PZT溶液の膜上にフォトリソグラフィーにより所定のパターンに形成されたフォトレジストを配置し、そのフォトレジストの所定のパターンに合わせたエッチングを行う。具体的には、酸素プラズマの照射又はUV光の照射によりフォトレジストで被覆されずに剥き出しになっている上記PZT溶液の膜を除去し、フォトレジストで被覆されていた上記PZT溶液の膜は残る。その後、加工に用いたフォトレジストを取り除いてフォトレジストによって被覆されていた上記PZT溶液の膜のパターニングを完了する。以上の工程を行うことにより、下部電極上のPZT液が塗布される所定部分以外の表面を疎液面にする表面改質が行われる。 The electromechanical conversion film can be produced by sputtering, sol-gel method, CVD method, laser ablation method, etc., of which sol coating, drying, thermal decomposition, and crystallization are performed. The sol-gel method is excellent in controllability of the crystal state. As a method for producing an electromechanical conversion film using this sol-gel method, the one described in Patent Document 1 is known. In the manufacturing method of Patent Document 1, platinum serving as the lower electrode has high wettability, and the surface of the lower electrode becomes a lyophilic surface having lyophilic properties. When the solution containing the PZT component is applied to the surface of the lower electrode, the surface becomes less wettable and becomes a lyophobic surface having lyophobic characteristics. Then, a photoresist formed in a predetermined pattern by photolithography is placed on the applied PZT solution film, and etching according to the predetermined pattern of the photoresist is performed. Specifically, the PZT solution film that has been exposed without being covered with the photoresist by oxygen plasma irradiation or UV light irradiation is removed, and the PZT solution film that has been coated with the photoresist remains. . Thereafter, the photoresist used for the processing is removed, and the patterning of the PZT solution film covered with the photoresist is completed. By performing the above steps, surface modification is performed so that the surface other than the predetermined portion to which the PZT liquid on the lower electrode is applied is made lyophobic.
次に、上記エッチングによって上記PZT溶液の膜が除去された下部電極上の所定部分には、電気機械変換膜を形成するための原料を前駆体の溶媒に溶融したPZT液の液滴が液滴吐出ヘッドのノズルから滴下される。そして、上記所定部分に滴下された上記PZT液の膜のみに所定の温度での熱処理工程を行う。この熱処理工程は、上記PZT液を乾燥させる工程、乾燥させた上記PZT液の膜を熱分解させる工程、及び熱分解された上記PZT液の膜を結晶化させる工程を含んでいる。この熱処理の方法にはいくつかある。一般的にハロゲンランプなどを使用したラピッドサーマルアーニング装置や、赤外線などで加熱する加熱装置がある。その他には、エネルギー交換効率が良く、工程作業時間が短く、急加熱が可能である利点からレーザ光照射による加熱装置も多く使用されている。このレーザ光照射による加熱装置として、特許文献2に記載のものが知られている。この特許文献2のレーザ光照射による加熱装置では、液滴吐出ヘッドにより電気機械変換の成分溶液の液滴を基板の所定部分に吐出し、電気機械変換膜の成分溶液にレーザ光を照射して熱処理工程を行っている。 Next, in a predetermined portion on the lower electrode from which the film of the PZT solution has been removed by the etching, a droplet of a PZT liquid in which a raw material for forming an electromechanical conversion film is melted in a precursor solvent is dropped. Dropped from the nozzle of the discharge head. Then, a heat treatment process at a predetermined temperature is performed only on the film of the PZT liquid dropped on the predetermined portion. This heat treatment step includes a step of drying the PZT liquid, a step of thermally decomposing the dried film of the PZT liquid, and a step of crystallizing the thermally decomposed film of the PZT liquid. There are several methods for this heat treatment. In general, there is a rapid thermal annealing device using a halogen lamp or the like, and a heating device that heats by infrared rays. In addition, a heating apparatus using laser light irradiation is often used because of the advantages that energy exchange efficiency is good, process work time is short, and rapid heating is possible. As a heating device using this laser light irradiation, the one described in Patent Document 2 is known. In the heating apparatus using laser beam irradiation of Patent Document 2, droplets of an electromechanical conversion component solution are discharged to a predetermined portion of a substrate by a droplet discharge head, and the component solution of the electromechanical conversion film is irradiated with laser light. A heat treatment process is performed.
しかしながら、上記特許文献2のレーザ光照射による加熱装置では、熱処理工程におけるレーザ光のレーザパワーが高すぎると電気機械変換膜にヒビが入り、電気機械変換膜としての機能を失ってしまう。レーザパワーが低すぎると、PZT液に含まれる前駆体の溶媒が完全に蒸発せず、もしくは電気機械変換膜が完全に結晶化せず、電気機械変換膜としての機能が低下してしまう。 However, in the heating apparatus using laser light irradiation in Patent Document 2 described above, if the laser power of the laser light in the heat treatment process is too high, the electromechanical conversion film is cracked and the function as the electromechanical conversion film is lost. When the laser power is too low, the solvent of the precursor contained in the PZT liquid is not completely evaporated, or the electromechanical conversion film is not completely crystallized, and the function as the electromechanical conversion film is deteriorated.
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、最適な加熱条件で加熱することで良質な薄膜を製造できる薄膜製造装置、該薄膜製造装置により製造した電気機械変換膜、電気機械変換素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object thereof is a thin film manufacturing apparatus capable of manufacturing a high-quality thin film by heating under optimal heating conditions, an electromechanical conversion film manufactured by the thin film manufacturing apparatus, An electromechanical transducer, a droplet discharge head, and a droplet discharge device are provided.
上記目的を達成するために、薄膜形成材料を溶媒に溶解した溶液を対象物の所定の部分に塗布する塗布手段と、該塗布手段によって塗布された前記溶液を加熱する加熱手段とを有する薄膜製造装置において、加熱された前記溶液の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段と、前記溶液の乾燥状態に対する最適な加熱条件の関係の特性データを記憶する記憶手段と、前記加熱手段によって加熱した前記溶液の乾燥状態を前記乾燥状態検出手段によって検出し、検出した前記溶液の乾燥状態に対応する最適な加熱条件を前記記憶手段に記憶している前記特性データから決定し、決定した前記加熱条件で前記加熱手段による加熱を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a thin film production comprising: an application means for applying a solution obtained by dissolving a thin film forming material in a solvent to a predetermined portion of an object; and a heating means for heating the solution applied by the application means. In the apparatus, a dry state detection means for detecting a dry state of the heated solution, a storage means for storing characteristic data of a relationship of an optimum heating condition with respect to the dry state of the solution, and the solution heated by the heating means The dry state is detected by the dry state detection means, and an optimum heating condition corresponding to the detected dry state of the solution is determined from the characteristic data stored in the storage means, and the determined heating condition is used to determine the heating condition. And control means for controlling heating by the heating means.
本発明においては、薄膜形成材料を溶媒に溶解した溶液を加熱すると溶媒が蒸発して溶液が乾燥する。この溶液の乾燥状態が薄膜の品質に影響することがわかっている。このため、溶液の乾燥状態を検出して、検出した溶液の乾燥状態に対する最適な加熱条件の関係の特性データと照合する。そして、溶液の乾燥状態に対応する最適な加熱条件を決定する。決定した最適な加熱条件で加熱手段を制御して溶液の加熱を行う。これにより、加熱し過ぎたり、加熱が不足したりすることを少なくすることで、良質な薄膜を製造することができる。 In the present invention, when a solution in which the thin film forming material is dissolved in a solvent is heated, the solvent evaporates and the solution is dried. It has been found that the dry state of this solution affects the quality of the thin film. For this reason, the dry state of the solution is detected and collated with the characteristic data of the relationship of the optimum heating condition with respect to the detected dry state of the solution. And the optimal heating conditions corresponding to the dry state of a solution are determined. The solution is heated by controlling the heating means under the determined optimum heating condition. Thereby, it is possible to manufacture a high-quality thin film by reducing excessive heating or insufficient heating.
本発明によれば、良質な薄膜を製造できるという効果が得られる。 According to the present invention, an effect that a high-quality thin film can be manufactured is obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態の液滴吐出装置の一構成例を示す概略構成図である。また、図2は本実施形態の液滴吐出装置の概略透視斜視図である。両図に示す本発明の液滴吐出装置の一例であるインクジェット記録装置100は、主に、記録装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ101と、キャリッジ101に搭載した本発明を実施して製造した液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド102と、記録ヘッド102へインクを供給するインクカートリッジ103とを含んで構成される印字機構部104を有している。また、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙105を積載可能な給紙カセット106を抜き差し自在に装着することができ、また用紙105を手差しで給紙するための手差しトレイ107を開倒することができ、給紙カセット106或いは手差しトレイ107から給送される用紙105を取り込み、印字機構部104によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ108に排紙する。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a droplet discharge apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic perspective view of the droplet discharge device of this embodiment. An ink jet recording apparatus 100 as an example of the droplet discharge apparatus of the present invention shown in both figures mainly includes a carriage 101 that can move in the main scanning direction inside the recording apparatus main body, and the present invention mounted on the carriage 101. The printing mechanism unit 104 is configured to include a recording head 102 including an inkjet head, which is an example of a liquid droplet ejection head manufactured as described above, and an ink cartridge 103 that supplies ink to the recording head 102. In addition, a sheet feeding cassette 106 capable of stacking a large number of sheets 105 can be detachably attached to the lower part of the apparatus main body from the front side, and a manual feed tray 107 for manually feeding sheets 105 is provided. The paper 105 fed from the paper feed cassette 106 or the manual feed tray 107 can be taken in, and a required image is recorded by the printing mechanism 104, and then discharged to a paper discharge tray 108 mounted on the rear side. Make paper.
印字機構部104は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド109と従ガイドロッド110とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ101にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド102を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ101には記録ヘッド102に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ103を交換可能に装着している。インクカートリッジ103は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド102へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド102へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。 The printing mechanism unit 104 holds a carriage 101 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 109 and a sub guide rod 110 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) ink droplets are ejected from a recording head 102, which is an example of a droplet ejection head according to the present invention that ejects ink droplets of each color. Outlets (nozzles) are arranged in a direction crossing the main scanning direction, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. In addition, each ink cartridge 103 for supplying ink of each color to the recording head 102 is replaceably mounted on the carriage 101. The ink cartridge 103 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the recording head 102 below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the recording head 102 by the force is maintained at a slight negative pressure.
また、記録ヘッド102としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。ここで、キャリッジ101は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド109に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド110に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ111で回転駆動される駆動プーリ112と従動プーリ113との間にタイミングベルト114を張装し、このタイミングベルト104をキャリッジ101に固定しており、主走査モータ111の正逆回転によりキャリッジ101が往復駆動される。 Further, although the heads of the respective colors are used here as the recording heads 102, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used. Here, the carriage 101 is slidably fitted to the main guide rod 109 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 110 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 101 in the main scanning direction, a timing belt 114 is stretched between a driving pulley 112 and a driven pulley 113 that are rotationally driven by a main scanning motor 111, and the timing belt 104 is moved to the carriage 101. The carriage 101 is reciprocally driven by forward and reverse rotations of the main scanning motor 111.
一方、給紙カセット106にセットした用紙105を記録ヘッド102の下方側に搬送するために、給紙カセット106から用紙105を分離給装する給紙ローラ115及びフリクションパッド116と、用紙105を案内するガイド部材117と、給紙された用紙105を反転させて搬送する搬送ローラ118と、この搬送ローラ118の周面に押し付けられる搬送コロ119及び搬送ローラ118からの用紙105の送り出し角度を規定する先端コロ120とを設けている。搬送ローラ118は副走査モータ121によってギヤ列を介して回転駆動される。そして、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ118から送り出された用紙105を記録ヘッド102の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材122を設けている。この印写受け部材122の用紙搬送方向下流側には、用紙105を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ123、拍車124を設け、さらに用紙105を排紙トレイ108に送り出す排紙ローラ125及び拍車126と、排紙経路を形成するガイド部材127、128とを配設している。 On the other hand, in order to convey the paper 105 set in the paper feed cassette 106 to the lower side of the recording head 102, the paper feed roller 115 and the friction pad 116 for separating and feeding the paper 105 from the paper feed cassette 106 and the paper 105 are guided. A guide member 117 that rotates, a conveyance roller 118 that reverses and conveys the fed paper 105, a conveyance roller 119 that is pressed against the peripheral surface of the conveyance roller 118, and a feeding angle of the sheet 105 from the conveyance roller 118. A tip roller 120 is provided. The transport roller 118 is rotationally driven by a sub-scanning motor 121 through a gear train. A printing receiving member 122 is provided as a paper guide member that guides the paper 105 fed from the transport roller 118 on the lower side of the recording head 102 corresponding to the movement range of the carriage 101 in the main scanning direction. A conveyance roller 123 and a spur 124 that are rotationally driven to send the paper 105 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 122 in the paper conveyance direction, and the paper 105 is further delivered to the paper discharge tray 108. A roller 125 and a spur 126, and guide members 127 and 128 that form a paper discharge path are disposed.
記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド102を駆動することにより、停止している用紙105にインクを吐出して1行分を記録し、用紙105を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙105の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙105を排紙する。 At the time of recording, the recording head 102 is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 101, thereby ejecting ink onto the stopped paper 105 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 105 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 105 is discharged.
また、キャリッジ101の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド102の吐出不良を回復するための回復装置129を配置している。回復装置129はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ101は印字待機中にはこの回復装置129側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド102をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。 Further, a recovery device 129 for recovering the ejection failure of the recording head 102 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 101. The recovery device 129 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 101 is moved to the recovery device 129 side during printing standby, and the recording head 102 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
このように、このインクジェット記録装置は、本実施形態のインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて画像品質が向上する。 As described above, since the ink jet recording apparatus is equipped with the ink jet head of the present embodiment, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved. .
次に、本発明の実施形態の電気機械変換膜の製造工程について説明する。なお、本実施形態では、圧電定数d31の変形を利用した横振動(ベンドモード)型の電気機械変換膜を有する電気機械変換素子を例として説明するが、本発明はこの型の電気機械変換膜に限定されることなく適用可能である。 Next, the manufacturing process of the electromechanical conversion film according to the embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an electromechanical conversion element having a transverse vibration (bend mode) type electromechanical conversion film using deformation of the piezoelectric constant d31 will be described as an example. The present invention is an electromechanical conversion film of this type. It is applicable without being limited to.
電気機械変換膜がPZT膜の場合、酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、ノルマルブトキシドジルコニウムを出発材料として合成したPZT前駆体溶液を用いることができる。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解した後、脱水する。化学量論的組成に対し鉛量を10[mol%]過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、ノルマルブトキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上記酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と均一に混合することによりPZT前駆体溶液を合成することができる。このPZT前駆体溶液のPZT濃度は例えば0.1[mol/l]にする。 When the electromechanical conversion film is a PZT film, a PZT precursor solution synthesized using lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and normal butoxide zirconium as starting materials can be used. The crystal water of lead acetate is dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is 10 [mol%] excess with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. It is possible to synthesize PZT precursor solution by dissolving isopropoxide titanium and normal butoxide zirconium in methoxyethanol, proceeding with alcohol exchange reaction and esterification reaction, and uniformly mixing with methoxyethanol solution in which lead acetate is dissolved. it can. The PZT concentration of this PZT precursor solution is, for example, 0.1 [mol / l].
また、電気機械変換膜がPZT膜の場合のPZT前駆体溶液は、非特許文献1に記載されている、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ、均一溶液として得るようにしてもよい。上記PZT前駆体溶液は「ゾルゲル液」とも呼ばれる。 The PZT precursor solution in the case where the electromechanical conversion film is a PZT film is prepared by dissolving lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds described in Non-Patent Document 1 as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent. Alternatively, a uniform solution may be obtained. The PZT precursor solution is also called “sol-gel solution”.
PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般にPZT(53/47)と示される。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物の出発材料は、この化学式に従って秤量される。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。 PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. When expressed by a chemical formula, Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , generally PZT (53/47) It is indicated. The starting materials for lead acetate, zirconium alkoxide and titanium alkoxide compounds are weighed according to this chemical formula. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。 Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there.
また、下地となる基板上の第1の電極の表面に電気機械変換膜としてのパターン化したPZT膜を得る場合、上記溶液を塗布液として液滴吐出方式で塗布することにより塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことでパターン化したPZT膜が得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100[nm]以下の膜厚が得られるようにするのが好ましい。そして、前駆体濃度は、電気機械変換膜の成膜面積とPZT前駆体溶液の塗布量との関係から適正化するように調整するのが好ましい。また、液滴吐出装置の電気機械変換素子として用いる場合、このPZT膜の膜厚は1[μm]〜2[μm]が要求される。この膜厚を得るには十数回〜二十工程、工程を繰り返すことになる。 Further, when obtaining a patterned PZT film as an electromechanical conversion film on the surface of the first electrode on the base substrate, a coating film is formed by applying the above solution as a coating liquid by a droplet discharge method. A patterned PZT film can be obtained by performing heat treatments of solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is preferable to obtain a film thickness of 100 [nm] or less in one step in order to obtain a crack-free film. And it is preferable to adjust so that a precursor density | concentration may be optimized from the relationship between the film-forming area of an electromechanical conversion film, and the application quantity of a PZT precursor solution. Further, when used as an electromechanical conversion element of a droplet discharge device, the thickness of the PZT film is required to be 1 [μm] to 2 [μm]. In order to obtain this film thickness, the process is repeated 10 to 20 times.
更に、ゾルゲル法によるパターン化した電気機械変換層の形成の場合には、下地となる基板の濡れ性を制御したPZT前駆体溶液の塗り分けをする。これは、非特許文献2に示されているアルカンチオールが特定金属上に自己配列する現象を利用したものであり、まず、基板の白金族金属の表面に、チオールのSAM(Self assembled monolayer)膜を形成する。SAM膜上はアルキル基が配置しているので、疎液性になる。このSAM膜は、例えば周知のフォトリソグラフィ・エッチングにより、フォトレジストを用いてパターニングすることができる。レジスト剥離後も、パターン化SAM膜は残っているので、この部位は疎液性になっている。一方、SAM膜が除去された部位は白金表面が露出しているため、親液性になっている。この表面エネルギーのコントラストを利用してPZT前駆体溶液の塗り分けをすることができる。本実施形態では、上記SAM膜を、PZT前駆体溶液を塗布しない領域に選択的に形成した後、以下に示すように、PZT前駆体溶液の消費量を低減することができる液滴吐出方式による塗工(インクジェット塗工)でPZT前駆体溶液を選択的に塗布している。 Further, in the case of forming a patterned electromechanical conversion layer by the sol-gel method, the PZT precursor solution in which the wettability of the base substrate is controlled is separately applied. This utilizes the phenomenon of alkanethiol self-arranged on a specific metal shown in Non-Patent Document 2, and first, a SAM (Self assembled monolayer) film of thiol on the surface of the platinum group metal of the substrate. Form. Since the alkyl group is arranged on the SAM film, it becomes lyophobic. This SAM film can be patterned using a photoresist by, for example, well-known photolithography etching. Since the patterned SAM film remains even after the resist is peeled off, this portion is lyophobic. On the other hand, the portion from which the SAM film has been removed is lyophilic because the platinum surface is exposed. Using this surface energy contrast, the PZT precursor solution can be applied separately. In the present embodiment, after the SAM film is selectively formed in a region where the PZT precursor solution is not applied, as shown below, the droplet discharge method can reduce the consumption of the PZT precursor solution. The PZT precursor solution is selectively applied by coating (inkjet coating).
図3は本発明の一実施形態に係る電気機械変換膜の形成を伴う電気機械変換素子の製造工程を示す工程断面図である。同図の(a)に示す基板11の表面(上面)には、チオールとの反応性に優れた第1の電極としての図示しない白金族金属からなる白金電極が、例えばスパッタ法により形成されている。この基板11の白金電極の表面に、同図の(b)に示すようにSAM膜12が形成される。SAM膜12は、アルカンチオール液に基板11をディップして自己配列させることで得られる。本例では、CH3(CH2)−SHのアルカンチオールの分子を一般的な有機溶媒(アルコール、アセトン、トルエンなど)に所定濃度(例えば数[mol/l])で溶解させたアルカンチオール液を用いた。このアルカンチオール液に基板11を浸漬させ、所定時間後に取り出した後、余剰な分子を溶媒で置換洗浄し乾燥することにより、白金電極の表面にSAM膜12を形成することができる。次に、同図の(c)に示すように、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト13をパターン形成し、同図の(d)に示すようにドライエッチング(例えば、酸素プラズマの照射又はUV光の照射)によりSAM膜12を除去し、加工に用いたフォトレジスト13を除去してSAM膜12のパターニングを終了する。このように形成されたSAM膜12は、純水に対する接触角が例えば92度であり、疎液性を示す。一方、SAM膜12が除去されて露出した基板11の白金電極の表面は、純水に対する接触角が例えば54度であり、親液性を示す。 FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an electromechanical conversion element accompanied with formation of an electromechanical conversion film according to an embodiment of the present invention. A platinum electrode made of a platinum group metal (not shown) as a first electrode excellent in reactivity with thiol is formed on the surface (upper surface) of the substrate 11 shown in FIG. Yes. A SAM film 12 is formed on the surface of the platinum electrode of the substrate 11 as shown in FIG. The SAM film 12 can be obtained by dipping the substrate 11 in an alkanethiol solution and making it self-align. In this example, an alkanethiol solution obtained by dissolving alkanethiol molecules of CH 3 (CH 2 ) —SH in a general organic solvent (alcohol, acetone, toluene, etc.) at a predetermined concentration (for example, several [mol / l]). Was used. After immersing the substrate 11 in this alkanethiol solution and taking it out after a predetermined time, the SAM film 12 can be formed on the surface of the platinum electrode by replacing and washing excess molecules with a solvent and drying. Next, as shown in (c) of the figure, a photoresist 13 is patterned by photolithography, and dry etching (for example, oxygen plasma irradiation or UV light irradiation) is performed as shown in (d) of the figure. Then, the SAM film 12 is removed, and the photoresist 13 used for processing is removed, and the patterning of the SAM film 12 is completed. The SAM film 12 formed in this manner has a contact angle with respect to pure water of, for example, 92 degrees and exhibits lyophobic properties. On the other hand, the surface of the platinum electrode of the substrate 11 exposed by removing the SAM film 12 has a contact angle with pure water of, for example, 54 degrees and exhibits lyophilicity.
次に、図3の(a)〜(d)に示す工程を行った後、PZT前駆体溶液の液滴をノズルから吐出させる液滴吐出方式、具体的には液滴吐出ヘッド14によりPZT前駆体溶液15が塗布される(図3の(e)参照)。このPZT前駆体溶液15の塗布は、疎液部であるSAM膜上にはPZT膜16が形成されず、SAM膜を除去された親液部のみにPZT膜が形成されるように行われる。最後に、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで電気機械変換膜17が得られる(図3の(f)参照)。 Next, after performing the steps shown in FIGS. 3A to 3D, a droplet discharge method in which the droplets of the PZT precursor solution are discharged from the nozzles, specifically, the PZT precursor by the droplet discharge head 14 is used. The body solution 15 is applied (see (e) of FIG. 3). The application of the PZT precursor solution 15 is performed such that the PZT film 16 is not formed on the SAM film that is a lyophobic part, and the PZT film is formed only on the lyophilic part from which the SAM film has been removed. Finally, the electromechanical conversion film 17 is obtained by performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization (see (f) of FIG. 3).
上記図3の方法では、上記図3の(a)〜(d)及び液滴吐出方式によるPZT前駆体溶液の塗布、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各熱処理を1回ずつ実行して所定膜厚の電気機械変換膜を得る場合について示したが、上記図3の(a)〜(d)、液滴吐出方式によるPZT前駆体溶液の塗布の図3の(e)、及び溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各熱処理の図3の(f)を、所定回数(2回以上)繰り返して実行して薄めに設定した電気機械変換膜を多層に重ねて形成し、所定膜厚の電気機械変換膜を得るようにしてもよい。この場合、電気機械変換膜のクラックの発生をより確実に防止できる。 In the method of FIG. 3, the heat treatments of PZT precursor solution application, solvent drying, thermal decomposition, and crystallization are performed once by (a) to (d) of FIG. As shown in the case of obtaining an electromechanical conversion film having a film thickness, (a) to (d) of FIG. 3 above, (e) of FIG. 3 of application of the PZT precursor solution by the droplet discharge method, and solvent drying, 3 (f) of the thermal decomposition and crystallization heat treatments are repeatedly performed a predetermined number of times (two or more times) to form thin electro-mechanical conversion films in multiple layers, and the electric film having a predetermined thickness is formed. A mechanical conversion film may be obtained. In this case, generation of cracks in the electromechanical conversion film can be prevented more reliably.
また、上記図3の方法では、第1の電極上のPZT前駆体溶液が塗布される所定部分以外の表面をSAM膜によって疎液面にする表面改質を行っているが、第1の電極の表面が疎液面の場合は、その第1の電極上のPZT前駆体溶液が塗布される所定部分の表面を親液面にする表面改質を行ってもよい。 Further, in the method of FIG. 3 described above, the surface modification other than the predetermined portion on which the PZT precursor solution on the first electrode is applied is made a lyophobic surface by the SAM film. When the surface is a lyophobic surface, surface modification may be performed so that the surface of a predetermined portion to which the PZT precursor solution on the first electrode is applied becomes a lyophilic surface.
上述した製造工程を15回繰り返し500[nm]の膜を得た。このとき作製された膜にクラックなどの不良は生じなかった。さらに、15回のPZT前駆体の選択塗布とレーザ照射を行い、結晶化処理をした。膜にクラックなどの不良は生じなかった。膜厚は1000[nm]に達した。このパターン化膜に上部電極(白金)を成膜し電気特性、電気機械変換能(圧電定数)の評価を行った。その結果、図4のP(分極)−E(電界強度)のヒステリシス曲線が得られた。膜の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3[μC/cm2]、抗電界は36.5[kV/cm]であり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を持っていることがわかった。また、電気−機械変換能は電界印加による変形量をレーザドップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。その圧電定数d31は120[pm/V]となり、こちらもセラミック焼結体と同等の値であった。この値は液体吐出ヘッドに用いる圧電素子として十分設計できうる特性値である。電極膜として白金やSrRuO3やLaNiO3やIrO2などの酸化物を溶媒に溶かし、インクジェット法で塗布、レーザ照射することで圧電体層と同様に電極膜も形成することができる。 The manufacturing process described above was repeated 15 times to obtain a film of 500 [nm]. No defects such as cracks occurred in the film produced at this time. Further, selective application of the PZT precursor and laser irradiation were performed 15 times to perform crystallization treatment. Defects such as cracks did not occur in the film. The film thickness reached 1000 [nm]. An upper electrode (platinum) was formed on this patterned film, and electrical characteristics and electromechanical conversion ability (piezoelectric constant) were evaluated. As a result, a hysteresis curve of P (polarization) -E (electric field strength) in FIG. 4 was obtained. The relative dielectric constant of the film is 1220, the dielectric loss is 0.02, the remanent polarization is 19.3 [μC / cm 2 ], and the coercive electric field is 36.5 [kV / cm], which is equivalent to a normal ceramic sintered body It was found that it has the characteristics of In addition, the electromechanical conversion ability was calculated by measuring the amount of deformation by applying an electric field with a laser Doppler vibrometer and fitting it by simulation. The piezoelectric constant d31 was 120 [pm / V], which was also the same value as the ceramic sintered body. This value is a characteristic value that can be sufficiently designed as a piezoelectric element for use in a liquid discharge head. An electrode film can be formed in the same manner as the piezoelectric layer by dissolving an oxide such as platinum, SrRuO 3 , LaNiO 3, or IrO 2 in a solvent as an electrode film, applying it by an ink jet method, and irradiating it with a laser.
図5は上記製造方法で製造した電気機械変換素子を用いて構成した液滴吐出ヘッドの一構成例を示す概略構成図である。図示の例では、液室基板となるシリコン基板20上に、振動板30、密着層41及び下部電極(第1の電極)42を積層し、その下部電極(第1の電極)42上の所定部分に、上記簡便な製造方法により、バルクセラミックスと同等の性能を持つ電気機械変換素子(PZT素子)43及び上部電極44をパターン化して形成することができる。その後、シリコン基板20の裏面(図中の下面)からエッチング除去工程により液室22aを形成し、ノズル孔21を有するノズル板22を接合することにより、液体吐出ヘッド50を作製することができる。なお、図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は省略した。また、図5の液滴吐出ヘッド50は、図6に示すように複数個並べるように構成することもできる。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a droplet discharge head configured using the electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method. In the illustrated example, a diaphragm 30, an adhesion layer 41, and a lower electrode (first electrode) 42 are stacked on a silicon substrate 20 serving as a liquid chamber substrate, and a predetermined on the lower electrode (first electrode) 42 is formed. The electromechanical conversion element (PZT element) 43 and the upper electrode 44 having the same performance as that of bulk ceramics can be patterned and formed on the portion by the simple manufacturing method described above. Thereafter, the liquid chamber 22a is formed from the back surface (the lower surface in the drawing) of the silicon substrate 20 by an etching removal process, and the nozzle plate 22 having the nozzle holes 21 is joined, whereby the liquid discharge head 50 can be manufactured. In the figure, descriptions of the liquid supply means, the flow path, and the fluid resistance are omitted. Further, a plurality of the droplet discharge heads 50 shown in FIG. 5 can be arranged as shown in FIG.
図7は本実施形態の薄膜製造装置における製造工程を示す模式図である。同図において、Y軸に移動するY軸駆動手段201の上には、基板11を固定するステージ202が設置されている。Y軸駆動手段201の上方には、液滴吐出装置300、連続照射レーザ装置400、パルス照射レーザ装置500が移動方向の上流側から下流側へ向かって並んでいる。ステージ202には図示されていない真空、静電気などの吸着手段が付随しており基板11が固定されている。また、図示されていないが、ステージ202にはX軸駆動手段も搭載されており、Y軸駆動手段201と連動して基板11を2次元的にスキャンすることができる。更に、図示されていないが、Z軸駆動手段も搭載されており、液滴吐出装置300、または連続照射レーザ装置400及びパルス照射レーザ装置500のレーザ照射システムと基板との距離を制御することができる。更に、図示されていないが、ステージ202にはZ軸を中心に回転する駆動手段も搭載されており、液滴吐出装置300、またはレーザ照射システムと基板との相対的な傾きを補正することができる。駆動系は液滴吐出装置300、またはレーザ照射システムに搭載し、前記と同じ機能を得ることが可能である。 FIG. 7 is a schematic view showing a manufacturing process in the thin film manufacturing apparatus of this embodiment. In the figure, a stage 202 for fixing the substrate 11 is installed on a Y-axis driving means 201 that moves to the Y-axis. Above the Y-axis driving unit 201, a droplet discharge device 300, a continuous irradiation laser device 400, and a pulse irradiation laser device 500 are arranged from the upstream side to the downstream side in the movement direction. The stage 202 is accompanied by suction means such as vacuum and static electricity not shown, and the substrate 11 is fixed. Although not shown, the stage 202 is also equipped with an X-axis driving unit, and can scan the substrate 11 two-dimensionally in conjunction with the Y-axis driving unit 201. Further, although not shown, a Z-axis driving unit is also mounted, and the distance between the droplet discharge device 300 or the laser irradiation system of the continuous irradiation laser device 400 and the pulse irradiation laser device 500 and the substrate can be controlled. it can. Further, although not shown, the stage 202 is also equipped with a driving unit that rotates about the Z axis, and can correct the relative inclination between the droplet discharge device 300 or the laser irradiation system and the substrate. it can. The drive system can be mounted on the droplet discharge device 300 or the laser irradiation system to obtain the same function as described above.
図3に示すような基板上にSAM膜のパターンを形成し、ステージ202上に設置する。一般的に使用されるアライメント装置(CCDカメラ、CMOSカメラ)などを用いて、基板11の位置や傾きなどをアライメントする。ステージ202をY軸および必要であればX軸に駆動させて、図7に示すように基板11上のSAM膜が存在しない領域(親液部)に機能性インク301をパターニングする。基板11上の親液部に着弾した機能性インク膜302は時間とともに濡れ広がる。次に、ステージ202をY軸および必要であればX軸に駆動させて、連続照射レーザ装置400にて濡れ広がった機能性インクのパターンにレーザ光401を照射して機能性インク膜402を乾燥させる。一般的にレーザは半導体レーザやYAGレーザを用いることができる。波長は基板の光吸収率が比較高い領域、例えば400[nm]〜10000[nm]あたりを使用する。レーザパワーは数[W]から数十[W]で機能性インクの溶媒を蒸発させ、さらに熱分解も可能である。もちろん、基板の移動速度にもよるが、10[mm/s]〜1000[mm/s]あたりの速度であればパワー設定で問題ない。ビーム径は数十[μm]〜数百[μm]で、ビームプロファイルは一般的なGaussianプロファイルで問題ない。レーザ光はSAM膜がある領域も照射してしまうが、上記設定条件では基板の温度が500[℃]以下にとどまるので、SAM膜は消失しない。最後に、熱分解した機能性インク膜上をパルス照射レーザ装置500にて機能性インクパターン上のみレーザ光501を照射する。レーザパワーは同じく数[W]から数十[W]、照射時間は数[μ秒]〜数百[μ秒]、発光周波数は機能性インクのパターンと基板の移動速度に合わせる。例えば、パターン間隔が100[μm]で、基板移動速度が100[mm/s]の場合、パルスレーザの発光周波数は1[kHz]なので、一般的に市場で販売している半導体ファイバーカプリングレーザ装置、もしくは半導体レーザスタック装置を使用することが可能である。パルスレーザ発光中に基板11が移動することで、例えば照射時間が100[μ秒]で、基板移動速度が100[mm/s]の場合、10[μm]照射する範囲が広がる。このような広がりを加味し、パターン形状に合った照射タイミングを制御し、SAM膜領域に照射しないようにする必要がある。上記工程を繰り返し、積層することで、基板11上に任意のパターンと厚さの結晶化した機能性インク膜502が効率良く製作できる。 A SAM film pattern is formed on a substrate as shown in FIG. The position and inclination of the substrate 11 are aligned using a commonly used alignment device (CCD camera, CMOS camera) or the like. The stage 202 is driven along the Y axis and, if necessary, the X axis, and the functional ink 301 is patterned in a region (lyophilic portion) on the substrate 11 where the SAM film does not exist as shown in FIG. The functional ink film 302 that has landed on the lyophilic portion on the substrate 11 spreads over time. Next, the stage 202 is driven to the Y axis and, if necessary, the X axis, and the functional ink film 402 is dried by irradiating the functional ink pattern wetted and spread by the continuous irradiation laser device 400. Let In general, a semiconductor laser or a YAG laser can be used as the laser. The wavelength is in a region where the light absorption rate of the substrate is relatively high, for example, around 400 [nm] to 10,000 [nm]. The laser power is several [W] to several tens [W], and the solvent of the functional ink can be evaporated and further thermal decomposition is possible. Of course, depending on the moving speed of the substrate, there is no problem in the power setting as long as the speed is in the range of 10 [mm / s] to 1000 [mm / s]. The beam diameter is several tens [μm] to several hundreds [μm], and the beam profile is a general Gaussian profile without any problem. Although the laser light also irradiates the region where the SAM film is present, the substrate temperature remains below 500 [° C.] under the above setting conditions, and therefore the SAM film does not disappear. Finally, the laser beam 501 is irradiated only on the functional ink pattern by the pulse irradiation laser device 500 on the thermally decomposed functional ink film. The laser power is also several [W] to several tens [W], the irradiation time is several [[mu] seconds] to several hundred [[mu] seconds], and the light emission frequency is adjusted to the functional ink pattern and the moving speed of the substrate. For example, when the pattern interval is 100 [μm] and the substrate moving speed is 100 [mm / s], the emission frequency of the pulse laser is 1 [kHz]. Therefore, a semiconductor fiber coupling laser device generally sold in the market Alternatively, a semiconductor laser stack device can be used. When the substrate 11 moves during pulse laser emission, for example, when the irradiation time is 100 [μsec] and the substrate moving speed is 100 [mm / s], the range of irradiation of 10 [μm] is expanded. In consideration of such spread, it is necessary to control the irradiation timing according to the pattern shape so as not to irradiate the SAM film region. By repeating the above steps and laminating, a functional ink film 502 having an arbitrary pattern and thickness crystallized can be efficiently manufactured on the substrate 11.
図8はリアルタイムレーザ光制御装置の構成を示す模式図である。同図において、図7と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すリアルタイムレーザ制御装置600は、レーザ光照射装置601、フーリエ変換赤外分光光度計を含むフーリエ変換赤外分光(:Fourier Transform Infra Red、以下FT−IRと略す)計測装置の赤外線光源602及びFT−IR計測装置の検出器603を含んで構成されている。レーザ光照射装置601は、基板11上の機能性インク膜302にレーザ光604を照射する。そして、FT−IR計測装置の赤外線光源602は基板11上の機能性インク膜302に赤外線605を照射する。機能性インク膜302に透過して反射された反射光606が検出器603に入射する。FT−IR計測装置の干渉計607を赤外線光源602と機能性インク膜302との間に配置する。そして、FT−IR計測装置の検出器603によって検出された赤外線に基づいて得られた機能性インク膜302の乾燥状態の情報をレーザ光源制御部608に供給する。レーザ光源制御部608では、検出した乾燥状態の情報と予め記憶されている後述する特性データとを比較し、比較の結果検出した乾燥状態に対応するレーザ光照射条件を決定する。そして、レーザ光源制御部608は、決定したレーザ光照射条件でレーザ光照射装置601のレーザ光照射を制御する。FT−IR計測の原理は一般的に既知であるため、ここでの説明は省略する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the real-time laser light control device. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 7 denote the same components. A real-time laser control device 600 shown in the figure includes a laser light irradiation device 601 and an infrared light source of a Fourier Transform Infrared (hereinafter abbreviated as FT-IR) measuring device including a Fourier transform infrared spectrophotometer. 602 and a detector 603 of the FT-IR measuring device. The laser beam irradiation device 601 irradiates the functional ink film 302 on the substrate 11 with the laser beam 604. Then, the infrared light source 602 of the FT-IR measuring apparatus irradiates the functional ink film 302 on the substrate 11 with infrared rays 605. Reflected light 606 that is transmitted through and reflected by the functional ink film 302 enters the detector 603. An interferometer 607 of the FT-IR measurement apparatus is disposed between the infrared light source 602 and the functional ink film 302. Then, information on the dry state of the functional ink film 302 obtained based on the infrared rays detected by the detector 603 of the FT-IR measurement apparatus is supplied to the laser light source control unit 608. The laser light source control unit 608 compares the detected dry state information with characteristic data stored in advance, which will be described later, and determines the laser light irradiation condition corresponding to the dry state detected as a result of the comparison. Then, the laser light source control unit 608 controls the laser light irradiation of the laser light irradiation apparatus 601 under the determined laser light irradiation conditions. Since the principle of FT-IR measurement is generally known, a description thereof is omitted here.
次に、本実施形態のレーザ光制御工程について当該工程を示す図9の動作フローに従って説明する。
先ず、図7の基板11上に機能性インクをインクジェット法もしくはスピンコート法で均一に塗布し機能性インク膜302を形成する(ステップS101)。そして、初期のレーザ光照射条件で機能性インク膜302の溶媒を蒸発させるためにレーザ光を照射して加熱し、レーザ光照射条件を微調整しながらレーザ光を照射して溶媒が完全に蒸発するまで加熱する(ステップS102)。一般的にはオーブンやRTAなど用いることが可能だが、本実施形態ではDilas社製のレーザ装置400を用いた。次に、機能インク膜302の乾燥状態をFT−IR計測装置にて計測する(ステップS103)。例えば市販されているFT−IR計測装置としてThermo Scientific社製のNocoletシリーズを使用することができる。この装置であれば27000〜15[cm^-1](370〜666,667[nm])のスペクトル範囲を、1波長で数[msec]で計測可能である。本計測で得られる情報の一例を図10に示す。図10はレーザ加熱前と加熱後の計測結果を示す。溶媒蒸発時に減少する特徴的なピークが波長6500[nm]あたりと、波長7100[nm]あたりと、波長7500[nm]あたりに見受けられる。反射率として機能性インク無し(白金基板)の測定結果を示す。溶媒などがないため、波長でのピークは見受けられない。図10中の波形700は、機能性インク膜が無い場合つまり白金基板に対するFT−IRスペクトル結果を示す。波形701は、機能性インク膜がある場合で、36[W]で4回のレーザ光照射を行って加熱後のFT−IRスペクトル結果を示す。波形702は、機能性インク膜がある場合で、36[W]で1回のレーザ光照射を行って加熱後のFT−IRスペクトル結果を示す。波形703は、機能性インク膜がある場合で、塗布直後のFT−IRスペクトル結果を示す。波形704は、波形703の波長6500[nm]あたりのピーク値を示す。波形705は、波形703の波長7100[nm]あたりのピーク値を示す。波形706は、波形703の波長7500[nm]あたりのピーク値を示す。
Next, the laser beam control process of this embodiment will be described according to the operation flow of FIG. 9 showing the process.
First, a functional ink is uniformly applied on the substrate 11 of FIG. 7 by an ink jet method or a spin coat method to form a functional ink film 302 (step S101). Then, in order to evaporate the solvent of the functional ink film 302 under the initial laser beam irradiation conditions, the laser beam is irradiated and heated, and the laser beam is irradiated while finely adjusting the laser beam irradiation conditions to completely evaporate the solvent. (Step S102). In general, an oven or RTA can be used, but in this embodiment, a laser device 400 manufactured by Dilas is used. Next, the dry state of the functional ink film 302 is measured by the FT-IR measuring device (step S103). For example, as a commercially available FT-IR measuring device, Nocolet series manufactured by Thermo Scientific can be used. With this apparatus, a spectral range of 27000-15 [cm ^ -1] (370-666, 667 [nm]) can be measured in several [msec] at one wavelength. An example of information obtained by this measurement is shown in FIG. FIG. 10 shows the measurement results before and after laser heating. Characteristic peaks that decrease when the solvent evaporates are observed around a wavelength of 6500 [nm], around a wavelength of 7100 [nm], and around a wavelength of 7500 [nm]. The measurement result without functional ink (platinum substrate) is shown as the reflectance. Since there is no solvent, no peak at the wavelength is observed. A waveform 700 in FIG. 10 shows an FT-IR spectrum result for a platinum substrate when there is no functional ink film. A waveform 701 shows a FT-IR spectrum result after heating by performing laser irradiation four times at 36 [W] when there is a functional ink film. A waveform 702 shows the result of FT-IR spectrum after heating with one laser beam irradiation at 36 [W] when there is a functional ink film. A waveform 703 shows the FT-IR spectrum result immediately after application in the case where there is a functional ink film. A waveform 704 shows a peak value per wavelength 6500 [nm] of the waveform 703. A waveform 705 indicates a peak value of the waveform 703 per wavelength 7100 [nm]. A waveform 706 shows a peak value per wavelength 7500 [nm] of the waveform 703.
次に、目標とする特徴的ピークを選択する(ステップS104)。例えば本実施形態では6500[nm]あたりのピークが溶媒の蒸発状態を示すことが分かっている。そこで、本実施形態の目標値を波長6500[nm]の反射率が98%以上になることとする。一般的に、計測結果は測定領域によって大きく変わる。FT−IRの測定領域と機能性インクのパターン形状が同じもしくはFT−IRの測定領域の方が小さいほうがノイズは小さく、より効率的に計測することができる。実際のFT−IRにおける溶媒蒸発状態の測定はレーザ照射中にリアルタイムに行うので、数[msec]から数十[μsec]の測定時間しかない。測定時間が短いと、検出器に入る光量が少ないことから、結果的に反射率が低く計測されてしまう。従って、事前計測ではリアルタイム計測を考慮した計測時間に設定することが好ましい。もちろん、狙いの溶媒蒸発状態(スペクトルの見たいピーク)が異なると目標値も変わることは言うまでもない。例えば、7100[nm]あたりのピーク値を条件に設定することが好ましい。さらに、7500[nm]あたりに条件を設定することも好ましい。さらに、複数のピーク値をある割合を決めてそれを目標値として設定することも有効である。例えば、6500[nm]は反射率が95%以上、7100[nm]は反射率98%以上、7500[nm]は反射率93%以上などである。さらに、目標値の設定条件を単純にある波長のピーク値としても良いが、例えば図10が示す6500[nm]近辺のピークには幅がある。この場合、6250[nm]から6750[nm]の幅があるのが分かる。例えば目標値としてこのピーク幅が6400[nm]から6600[nm]まで狭くなることを条件として追加することもできる。 Next, a target characteristic peak is selected (step S104). For example, in this embodiment, it is known that a peak around 6500 [nm] indicates the evaporation state of the solvent. Therefore, it is assumed that the reflectance of the wavelength 6500 [nm] is 98% or more as the target value of this embodiment. Generally, measurement results vary greatly depending on the measurement region. Noise is smaller when the FT-IR measurement area is the same as the functional ink pattern shape or the FT-IR measurement area is smaller, and more efficient measurement is possible. Since the actual measurement of the solvent evaporation state in FT-IR is performed in real time during laser irradiation, the measurement time is only several [msec] to several tens [[mu] sec]. If the measurement time is short, the amount of light entering the detector is small, and as a result, the reflectance is low. Therefore, it is preferable to set the measurement time in consideration of real-time measurement in advance measurement. Of course, it goes without saying that the target value also changes if the target solvent evaporation state (peak to be seen in the spectrum) is different. For example, it is preferable to set the peak value around 7100 [nm] as a condition. Furthermore, it is also preferable to set conditions around 7500 [nm]. Further, it is also effective to determine a certain ratio of a plurality of peak values and set it as a target value. For example, 6500 [nm] has a reflectance of 95% or more, 7100 [nm] has a reflectance of 98% or more, 7500 [nm] has a reflectance of 93% or more, and the like. Furthermore, the setting condition of the target value may be simply set to a peak value of a certain wavelength. For example, the peak in the vicinity of 6500 [nm] shown in FIG. 10 has a width. In this case, it can be seen that there is a range from 6250 [nm] to 6750 [nm]. For example, a target value can be added on condition that the peak width is narrowed from 6400 [nm] to 6600 [nm].
そして、目標とする反射率のピーク値、波長のレンジ情報を記録する(ステップS105)。その後、基板上に機能性インクをインクジェット法もしくはスピンコート法で均一に塗布し、膜を形成する(ステップS106)。次に、機能性インク膜をレーザ加熱する(ステップS107)。そして、FT−IR計測装置にて機能インク膜の溶媒蒸発状態を計測し(ステップS108)、リアルタイムにステップS105で記録された目標の乾燥状態の反射率値と比較する(ステップS109)。同等の溶媒乾燥状態が得られるまでレーザ加熱を続ける(ステップS109:NO、ステップS107、S108)。リアルタイム計測において、溶媒乾燥状態を高速、かつ高精度に計測するにはいくつか方法がある。一つは複数の光源と検出器を必要な波長レンジ内でアレイ化することで、一般的によく使用されているFT−IR計測装置のような単一の光源と検出器をある波長レンジで計測する方式よりも高精度、かつ高速に測定できる。もう一つは測定する波長レンジを限定する。ステップS104でも記載したが、狙いの波長が決まればその波長の範囲の情報のみ必要であるから、370[nm]から666,667[nm]までの広い範囲を測定する必要はなく、その結果高速計測が可能となる。このようにリアルタイム計測された溶媒蒸発状態の情報を基にレーザ加熱の条件をリアルタイムに変え、最適な膜を形成する。 Then, the target reflectance peak value and wavelength range information are recorded (step S105). Thereafter, a functional ink is uniformly applied on the substrate by an ink jet method or a spin coating method to form a film (step S106). Next, the functional ink film is laser heated (step S107). Then, the solvent evaporation state of the functional ink film is measured by the FT-IR measurement device (step S108), and compared with the reflectance value of the target dry state recorded in step S105 in real time (step S109). Laser heating is continued until an equivalent solvent dry state is obtained (step S109: NO, steps S107, S108). In real-time measurement, there are several methods for measuring the solvent dry state at high speed and with high accuracy. One is to array multiple light sources and detectors within the required wavelength range, so that a single light source and detector, such as the commonly used FT-IR measurement device, can be used in a certain wavelength range. It can measure with higher accuracy and speed than the measurement method. The other is to limit the wavelength range to be measured. As described in step S104, if the target wavelength is determined, only the information on the wavelength range is necessary. Therefore, there is no need to measure a wide range from 370 [nm] to 666,667 [nm]. Measurement is possible. Thus, based on the information of the solvent evaporation state measured in real time, the laser heating conditions are changed in real time to form an optimum film.
ここで、レーザ加熱条件で変えることが可能なパラメータとして、レーザパワー、レーザ照射時間、レーザ照射回数などがある。一般的に、レーザパワーはレーザ制御装置のパワーを制御する入力電圧を変えることでリアルタイムに調整できる。レーザ照射時間は連続照射型(CW)レーザの場合図7に示すステージ202の移動速度を変えることで可能で、パルスレーザの場合発光時間を変えることで可能である。さらに、基板を再度レーザの下に搬送することで同じパターンに複数回照射することができる。このようにレーザの加熱条件をリアルタイムに変えることで、良質かつ均一な特性をもった複数パターン膜を製作することができる。更に、FT−IR計測精度を効率的に高めるために、FT−IR計測エリアとレーザ照射エリアの形状が同じ、もしくはFT−IR計測エリアの方が小さいことで、無駄なエリアの計測結果を反映することなく、高精度な制御が可能となる。 Here, parameters that can be changed depending on the laser heating conditions include laser power, laser irradiation time, number of times of laser irradiation, and the like. In general, the laser power can be adjusted in real time by changing the input voltage for controlling the power of the laser controller. The laser irradiation time can be changed by changing the moving speed of the stage 202 shown in FIG. 7 in the case of a continuous irradiation (CW) laser, and can be changed by changing the emission time in the case of a pulse laser. Furthermore, the same pattern can be irradiated multiple times by transporting the substrate under the laser again. Thus, by changing the laser heating conditions in real time, a plurality of pattern films having good quality and uniform characteristics can be manufactured. Furthermore, in order to efficiently increase the FT-IR measurement accuracy, the shape of the FT-IR measurement area and the laser irradiation area are the same, or the FT-IR measurement area is smaller, reflecting the measurement results of the useless area. Therefore, highly accurate control is possible.
最後に、上記ステップS101からステップS108を目標の膜厚に到達するまで機能性インクを重ね塗りし続ける。本実施形態では上記工程を繰り返し、厚さ約1〜2[μm]の圧電素子を製作した。本実施形態ではレーザ照射エリア1000[μm]×50[μm]、レーザ波長980[nm]、レーザビームプロファイルはトップハット(フラット)、基板スキャン速度100[mm/s]、20〜40[W]付近に最適レーザパワーが認められ、初期的に設定した。上記条件にて製作した機能性インク膜はクラックが無く、結晶化は良好で、圧電素子特性を計測し良好であった。加熱工程が終わると、2回目以降の工程で毎回SAM膜形成する。2回目以降の手順としてはPZT前駆体溶液の消費量を低減したい場合はインクジェット塗工もしくは凸版印刷でPZTのパターンを形成し、レーザ照射システムにて溶媒蒸発、熱分解、結晶化を行う。上記工程を所望の膜厚になるまで繰り返す。この方法によるパターン化はセラミックス膜厚が5[μm]の厚さまで形成できる。下部電極として用いられる材料は耐熱性かつアルカンチオールとの反応によりSAM膜を形成する金属が選ばれる。銅や銀はSAM膜を形成するが大気下中、500℃以上の熱処理により変質してしまうので用いることはできない。 Finally, the functional ink continues to be applied repeatedly from step S101 to step S108 until the target film thickness is reached. In this embodiment, the above process was repeated to produce a piezoelectric element having a thickness of about 1 to 2 [μm]. In this embodiment, the laser irradiation area is 1000 [μm] × 50 [μm], the laser wavelength is 980 [nm], the laser beam profile is top hat (flat), the substrate scanning speed is 100 [mm / s], and 20 to 40 [W]. The optimum laser power was recognized in the vicinity and was initially set. The functional ink film produced under the above conditions had no cracks, good crystallization, and good piezoelectric element characteristics. When the heating process is finished, the SAM film is formed every time in the second and subsequent processes. In the second and subsequent procedures, when it is desired to reduce the consumption of the PZT precursor solution, a PZT pattern is formed by inkjet coating or letterpress printing, and solvent evaporation, thermal decomposition, and crystallization are performed by a laser irradiation system. The above process is repeated until a desired film thickness is obtained. Patterning by this method can form ceramics with a thickness of 5 [μm]. As a material used for the lower electrode, a metal that is heat resistant and forms a SAM film by reaction with alkanethiol is selected. Copper or silver forms a SAM film but cannot be used because it is altered in the atmosphere by heat treatment at 500 ° C. or higher.
更に、金は両条件を満たすものの、積層するPZT膜の結晶化に不利に働くので使えない。白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、の単金属や白金-ロジウムなどの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料も有効である。シリコン基板上に配置する振動板は厚さ数ミクロンでシリコン酸化膜や窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、およびこれら各膜を積層した膜でも良い。また熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜などのセラミック膜でも良い。これら材料は絶縁体である。下部電極は圧電素子に信号入力する際の共通電極として電気的接続をするので、その下にある振動板は絶縁体か、もしくは導体であれば絶縁処理を施して用いることになる。シリコン系絶縁膜は熱酸化膜、CVD堆積膜を用い、金属酸化膜はスパッタリング法で成膜することができる。これら振動板上に白金族下部電極を配置する場合、膜密着力を強めるための密着層41が必要となる(図5参照)。密着層として可能な材料はチタン、タンタル、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタルやこれら積層膜が有効である。 Furthermore, although gold satisfies both conditions, it cannot be used because it adversely affects the crystallization of the stacked PZT film. An alloy material of platinum, rhodium, ruthenium, iridium, or any other platinum group element mainly composed of platinum such as platinum-rhodium is also effective. The vibration plate disposed on the silicon substrate may be a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a film in which these films are laminated with a thickness of several microns. Further, a ceramic film such as an aluminum oxide film or a zirconia film in consideration of a difference in thermal expansion may be used. These materials are insulators. Since the lower electrode is electrically connected as a common electrode for inputting a signal to the piezoelectric element, the diaphragm underneath is used as an insulator or an insulator if it is a conductor. As the silicon-based insulating film, a thermal oxide film or a CVD deposited film can be used, and the metal oxide film can be formed by a sputtering method. When the platinum group lower electrode is disposed on these diaphragms, an adhesion layer 41 for increasing the film adhesion is required (see FIG. 5). Effective materials for the adhesion layer are titanium, tantalum, titanium oxide, tantalum oxide, titanium nitride, tantalum nitride, and laminated films thereof.
図7に示すように連続照射レーザ装置とパルス照射レーザ装置を別々の装置として使用しているが、一般的に市場で販売している半導体ファイバーカプリングレーザ装置もしくは半導体レーザスタック装置はパルスタイプと連続照射タイプに機能を両立させることが比較的簡単であることから、1台のレーザ装置で機能性インクの溶媒蒸発、熱分解、結晶化までのプロセスと行うことができる。これにより、ステージ駆動手段のY軸方向の長さを短くすることができ、そのことによってY軸方向の移動精度が向上し、さらに装置がコンパクトになり、さらに装置の低コスト化が可能となる。 As shown in FIG. 7, the continuous irradiation laser device and the pulse irradiation laser device are used as separate devices, but the semiconductor fiber coupling laser device or semiconductor laser stack device generally sold in the market is continuous with the pulse type. Since it is relatively easy to make the irradiation type compatible with each other, the process from solvent evaporation, thermal decomposition, and crystallization of the functional ink can be performed with one laser device. Thereby, the length of the stage drive means in the Y-axis direction can be shortened, thereby improving the movement accuracy in the Y-axis direction, further reducing the size of the apparatus, and further reducing the cost of the apparatus. .
また、溶媒蒸発、熱分解、結晶化までの全ての加熱工程を連続照射型レーザ1台で行うことも可能であり、装置コストの削減につながる。連続照射型レーザを用いた場合、SAM膜が損傷してしまう。しかしながら、これは加熱後にSAM膜を形成する工程を毎層形成するたびに行うことで、問題は解消する。 In addition, all heating steps from solvent evaporation, thermal decomposition, and crystallization can be performed by one continuous irradiation type laser, which leads to reduction in apparatus cost. When a continuous irradiation type laser is used, the SAM film is damaged. However, this problem is solved by performing the process of forming the SAM film after heating every time the layers are formed.
更に、レーザ照射エリアの形状は一般的な円形で、かつビームプロファイルはGaussianである。例えば基板がY軸方向に移動し、円形のレーザ照射エリアで機能性インクを照射した場合円中央領域と円端部分では実照射時間が異なる。円中央の方が長い時間照射され、円端の方は短い時間照射されてしまう。そこで、本実施形態では、レーザ照射エリアを機能性インクのパターンと同じ、もしくはそれよりも大きい形状にすることで、ある形状にパターニングされた機能性インクを均一に加熱することができる。更に、ビームプロファイルが照射エリア内でフラット形状、もしくはトップハット形状(均一)にすることで、機能性インクを均一に加熱することが可能となる。上記照射エリアの形状とビームプロファイルは連続照射レーザ装置及びパルス照射レーザ装置、両方に搭載することが可能である。パルスレーザでも連続照射レーザの場合でも、より具体的には基板が同時に移動できる方向が一方向である場合、照射エリアは長方形で、かつ長方形の傾きと基板の移動方向の傾きが揃っていることが好ましい。このような構成であれば、必ず基板移動方向の照射時間が基板移動方向と直角の方向(図7のX軸)で同一となり、均一な加熱が可能となり、信頼性の高い機能性インク膜を形成することができる。更に、照射エリアのX軸方向の長さとパターンのX軸方向長さが同じにすることで、無駄なエリアを加熱することなく、効率的に機能性インクのみを加熱することができる。 Further, the shape of the laser irradiation area is a general circle, and the beam profile is Gaussian. For example, when the substrate moves in the Y-axis direction and functional ink is irradiated in a circular laser irradiation area, the actual irradiation time is different between the circle center region and the circle end portion. The center of the circle is irradiated for a longer time, and the end of the circle is irradiated for a shorter time. Therefore, in the present embodiment, the functional ink patterned into a certain shape can be uniformly heated by making the laser irradiation area the same shape as or larger than the functional ink pattern. Furthermore, it becomes possible to heat functional ink uniformly by making a beam profile into a flat shape or a top hat shape (uniform) within an irradiation area. The shape and beam profile of the irradiation area can be mounted on both the continuous irradiation laser device and the pulse irradiation laser device. In the case of pulse laser or continuous irradiation laser, more specifically, if the direction in which the substrate can move simultaneously is one direction, the irradiation area should be rectangular and the inclination of the rectangle should be aligned with the inclination of the substrate movement direction. Is preferred. With such a configuration, the irradiation time in the substrate movement direction is always the same in the direction perpendicular to the substrate movement direction (X axis in FIG. 7), enabling uniform heating, and providing a highly reliable functional ink film. Can be formed. Furthermore, by making the length of the irradiation area in the X-axis direction equal to the length of the pattern in the X-axis direction, it is possible to efficiently heat only the functional ink without heating a useless area.
レーザを用いた蒸発工程を、O2濃度が50%以上の雰囲気で行うことで、より良質な膜が形成できる。これは属有機化合物の化学結合を切断するときにCが膜から抜けやすくさせるためである。Cは雰囲気中のO2と結合して抜けていくため、雰囲気のO2濃度が高い方が良い。更に、レーザを用いた結晶化工程において、N2濃度が50%以上の雰囲気で行うことで、より良質な膜が形成できる。これは結晶化のときに膜中のPbが雰囲気のO2と結合して抜けてしまうのを低減させるためである。雰囲気のO2濃度を下げるためにN2濃度を50%以上にすることで可能となる。 By performing the evaporation step using a laser in an atmosphere having an O 2 concentration of 50% or more, a higher quality film can be formed. This is because C is easily removed from the film when the chemical bond of the genus organic compound is broken. Since C bonds with O 2 in the atmosphere and escapes, it is better that the O 2 concentration in the atmosphere is higher. Furthermore, a higher quality film can be formed by performing the crystallization process using a laser in an atmosphere having an N 2 concentration of 50% or more. This is because Pb in the film is reduced from bonding with O 2 in the atmosphere and being lost during crystallization. This can be achieved by increasing the N 2 concentration to 50% or more in order to reduce the O 2 concentration in the atmosphere.
一般的に基板を加熱し、機能性インクを間接的に加熱する従来の熱処理だけの膜とエキシマレーザ照射後、熱処理を行った膜では圧電特性が向上することが分かっている。それは金属成分が含む有機化合物は異なる温度で分解されるため、材料によって結晶粒のでき方が変わる。そこで、エキシマレーザを照射することで、それぞれの金属有機化合物の化学結合を切断することで、結晶粒の形成の仕方が統一され、緻密で粒径が揃った結晶膜が形成でき、圧電素子特性が向上する。エキシマレーザによって切断された化学結合については赤外吸収スペクトルなどを用いて検証することが可能である。具体的には連続照射レーザ装置にて溶媒を蒸発させた後、例えば波長が300[nm]以下のエキシマレーザなどを照射することで、機能性インク膜の特性を向上させることができる。例えば一般的に入手可能な連続照射型KrFエキシマレーザ装置を用いて、波長230〜280[nm]、100[mJ/cm2]以上のエネルギーを照射することで、機能性インク膜の特性を向上させることができる。更に、工程をO2濃度が50%以上の雰囲気で行うことで、より良質な膜が形成できる。これは属有機化合物の化学結合を切断するときにCが膜から抜けやすくさせるためである。Cは雰囲気中のO2と結合して抜けていくため、雰囲気のO2濃度が高い方が良い。 In general, it has been found that a piezoelectric film is improved in a conventional heat-treated film that heats a substrate and indirectly heats a functional ink and a film that is heat-treated after irradiation with an excimer laser. That is, the organic compound contained in the metal component is decomposed at different temperatures. Therefore, by irradiating the excimer laser, the chemical bond of each metal organic compound is cut to unify the way of forming crystal grains, and a dense and uniform crystal film can be formed. Will improve. The chemical bond cleaved by the excimer laser can be verified using an infrared absorption spectrum or the like. Specifically, after evaporating the solvent with a continuous irradiation laser device, the characteristics of the functional ink film can be improved by, for example, irradiating an excimer laser having a wavelength of 300 [nm] or less. For example, using a generally available continuous irradiation type KrF excimer laser device, the characteristics of the functional ink film are improved by irradiating energy of wavelengths 230 to 280 [nm], 100 [mJ / cm 2 ] or more. Can be made. Furthermore, a higher quality film can be formed by performing the process in an atmosphere having an O 2 concentration of 50% or more. This is because C is easily removed from the film when the chemical bond of the genus organic compound is broken. Since C bonds with O 2 in the atmosphere and escapes, it is better that the O 2 concentration in the atmosphere is higher.
そして、シリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1[μm])を形成し、密着層としてチタン膜(膜厚50[nm])をスパッタ成膜した。引続き下部電極として白金膜(膜厚200[nm])スパッタ成膜した。アルカンチオールにCH3(CH2)6−SHを用い、濃度0.01[mol/l](溶媒:イソプロピルアルコール)溶液に浸漬させ、SAM処理を行った。その後、イソプロピルアルコールで洗浄、乾燥後、パターニングの工程に移る。 Then, a thermal oxide film (film thickness 1 [μm]) was formed on the silicon wafer, and a titanium film (film thickness 50 [nm]) was formed by sputtering as an adhesion layer. Subsequently, a platinum film (film thickness 200 [nm]) was formed by sputtering as the lower electrode. SAM treatment was performed by using CH 3 (CH 2 ) 6 -SH in alkanethiol and immersing it in a 0.01 [mol / l] (solvent: isopropyl alcohol) solution. Then, after washing with isopropyl alcohol and drying, the process proceeds to a patterning process.
SAM処理後の疎液性は接触角測定を行い、SAM膜上での水の接触角は92.2°であった。一方、SAM処理前の白金スパッタ膜のそれは5°以下(完全濡れ)であり、SAM膜処理がなされたことがわかる。 The lyophobic property after the SAM treatment was measured by a contact angle, and the contact angle of water on the SAM film was 92.2 °. On the other hand, that of the sputtered platinum film before SAM treatment is 5 ° or less (complete wetting), indicating that the SAM film treatment was performed.
東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、酸素プラズマ処理を行い露出部のSAM膜を除去した。処理後の残渣レジストはアセトンにて溶解除去し、同様の接触角評価を行ったところ、除去部では5°以下(完全濡れ)、レジストでカバーされていた部位のそれは92.4°の値を示し、SAM膜のパターン化がなされたことを確認した。 A photoresist made by Tokyo Ohka Co., Ltd. (TSMR8800) was formed by spin coating, a resist pattern was formed by ordinary photolithography, and oxygen plasma treatment was then performed to remove the exposed SAM film. The residual resist after the treatment was dissolved and removed with acetone, and the same contact angle evaluation was performed. As a result, the removed portion was 5 ° or less (completely wet), and the portion covered with the resist had a value of 92.4 °. It was confirmed that the SAM film was patterned.
他方式のパターニングとして、同様のレジストワークにより予めレジストパターンを形成し、同様のSAM膜処理を実施後、アセトンにてレジストを除去し、接触角を測定した。レジストカバーされた白金膜上の接触角は5°以下(完全濡れ)、他の部位のそれは92.0°となり、SAM膜のパターン化がなされたことを確認した。 As another type of patterning, a resist pattern was formed in advance with the same resist work, and after the same SAM film treatment, the resist was removed with acetone, and the contact angle was measured. The contact angle on the resist-covered platinum film was 5 ° or less (complete wetting), and that at other sites was 92.0 °, confirming that the SAM film was patterned.
もう一つの他方式として、シャドウマスクを用いた紫外線照射を行った。用いた紫外線はエキシマランプによる波長176[nm]の真空紫外光を10分間照射した。照射部の接触角は5°以下(完全濡れ)であった(図11の(a)参照)、未照射部のそれは92.2°であり(図11の(b)参照)SAM膜のパターン化がなされたことを確認した。 As another method, ultraviolet irradiation using a shadow mask was performed. The ultraviolet rays used were irradiated with vacuum ultraviolet light having a wavelength of 176 [nm] from an excimer lamp for 10 minutes. The contact angle of the irradiated part was 5 ° or less (completely wet) (see (a) of FIG. 11), and that of the unirradiated part was 92.2 ° (see (b) of FIG. 11). It was confirmed that conversion was made.
圧電層としてPZT(53/47)を成膜する。前駆体塗布液の合成は、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を10モル%過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。 PZT (53/47) is deposited as a piezoelectric layer. In the synthesis of the precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is 10 mol% excess relative to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.1[mol/l]にした。 Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.1 [mol / l].
一度のゾルゲル成膜で得られる膜厚は100[nm]が好ましく、前駆体濃度は成膜面積と前駆体塗布量の関係から適正化される。従って、0.1[mol/l]に限定されるものではない。この前駆体溶液を先のパターン化SAM膜上にインクジェット法で塗布した。インクジェット法によりSAM膜上には液滴を吐出せず親液部のみ吐出することで接触角のコントラストにより親液部上にのみ塗膜ができた。この塗膜に際して、膜厚に応じた出力でレーザ照射を行うことで基板を加熱しパターニングされた前駆体インクの乾燥、結晶化を行い、図3の(f)に示す電気機械変換膜17を得た。 The film thickness obtained by one sol-gel film formation is preferably 100 [nm], and the precursor concentration is optimized from the relationship between the film formation area and the amount of applied precursor. Therefore, it is not limited to 0.1 [mol / l]. This precursor solution was applied on the patterned SAM film by an ink jet method. By discharging only the lyophilic part without discharging droplets on the SAM film by the ink jet method, a coating film was formed only on the lyophilic part due to the contact angle contrast. At the time of this coating, the substrate is heated by irradiating the laser with an output according to the film thickness, and the patterned precursor ink is dried and crystallized, and the electromechanical conversion film 17 shown in FIG. Obtained.
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。 As described above, since the inkjet head embodying the present invention is mounted in this inkjet recording apparatus, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved. improves.
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
加熱された溶液の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段と、溶液の乾燥状態に対する最適な加熱条件の関係の特性データを記憶する記憶手段と、加熱手段によって加熱した溶液の乾燥状態を乾燥状態検出手段によって検出し、検出した溶液の乾燥状態に対応する最適な加熱条件を記憶手段に記憶している特性データから決定し、決定した加熱条件で加熱手段による加熱を制御する制御手段とを有する。これによれば、上記実施形態について説明したように、液滴吐出ヘッド300によって基板11に吐出された機能性インク膜302にレーザ光を照射して加熱すると溶媒が蒸発して溶液が乾燥する。リアルタイムレーザ制御装置600によって機能性インク膜302の乾燥状態を検出する。そして、機能性インク膜302の乾燥状態に対する最適なレーザ光照射条件の関係の特性データと照合しながら検出した機能性インク膜302の乾燥状態に対応する最適なレーザ光照射条件を決定する。これにより、加熱し過ぎたり、加熱が不足したりすることを少なくすることで、良質な薄膜を製造することができる。
(態様B)
(態様A)において、乾燥状態検出手段は、フーリエ変換赤外分光光度計を用いる。これによれば、上記実施形態について説明したように、溶媒が蒸発する度合いに応じて機能性インク膜302を透過して反射する赤外線を検出することで、精度良く機能性インク膜の乾燥状態を検出することができる。これにより、最適な加熱条件を決定することができ、良質な薄膜を製造することができる。
(態様C)
(態様B)において、フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線照射の照射部分の形状と基板上に塗布された溶液の形状とが略同じであり、赤外線照射の照射部分の大きさが溶液の大きさより小さい。これによれば、上記実施形態について説明したように、機能性インク膜の乾燥状態の検出を精度良く行うことができる。
(態様D)
(態様C)において、加熱手段がレーザ光源である場合、フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線照射の照射部分の形状とレーザ光源の照射部分の形状とが略同じであり、赤外線照射の照射部分の大きさがレーザ光源の照射部分の大きさより小さい。これによれば、上記実施形態について説明したように、機能性インク膜の乾燥状態の検出を精度良く行うことができる。
(態様E)
(態様A)〜(態様D)のいずれかにおいて、フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線の波長範囲を、基板上に塗布された溶液の乾燥時の特性データにおける波長ピークに合わせる。これによれば、上記実施形態について説明したように、機能性インク膜の乾燥状態の検出を精度良く行うことができる。
(態様F)
(態様A)において、加熱手段はレーザ光源であり、加熱条件であるレーザ光照射条件は、照射パワー、照射回数又は照射時間である。これによれば、上記実施形態について説明したように、機能性インク膜の乾燥状態の検出を精度良く行うことができる。
(態様G)
(態様A)〜(態様F)のいずれかの薄膜製造装置を用いて、電気機械変換膜を形成する溶液を基板の所定部分に塗布し、塗布した溶液に加熱手段によって熱処理を施して製造する。これによれば、上記実施形態について説明したように、良質な電気機械変換膜を製造することができる。
(態様H)
(態様G)の電気機械変換膜に第1の電極上を形成した後、その第1の電極上に形成した電気機械変換膜を挟むように第2の電極を配置する第2電極を有する。これによれば、上記実施形態について説明したように、良質な電気機械変換素子を製造することができる。
(態様I)
(態様H)の電気機械変換素子を備えた。これによれば、上記実施形態について説明したように、吐出不良が少ない液滴吐出ヘッドを提供できる。
(態様J)
(態様I)の液滴吐出ヘッドを備えた。これによれば、上記実施形態について説明したように、画質不良が少ない液滴吐出装置を提供できる。
What has been described above is merely an example, and the present invention has a specific effect for each of the following modes.
(Aspect A)
Dry state detection means for detecting the dry state of the heated solution, storage means for storing the characteristic data of the relationship of the optimum heating condition with respect to the dry state of the solution, and dry state detection of the solution heated by the heating means And a control means for determining the optimum heating condition corresponding to the detected dry state of the solution from the characteristic data stored in the storage means and controlling the heating by the heating means under the determined heating condition. According to this, as described in the above embodiment, when the functional ink film 302 discharged onto the substrate 11 by the droplet discharge head 300 is irradiated with laser light and heated, the solvent evaporates and the solution is dried. The dry state of the functional ink film 302 is detected by the real-time laser controller 600. Then, the optimum laser light irradiation condition corresponding to the detected dry state of the functional ink film 302 is determined while collating with the characteristic data of the relationship of the optimum laser light irradiation condition with respect to the dry state of the functional ink film 302. Thereby, it is possible to manufacture a high-quality thin film by reducing excessive heating or insufficient heating.
(Aspect B)
In (Aspect A), the dry state detection means uses a Fourier transform infrared spectrophotometer. According to this, as described in the above embodiment, the dry state of the functional ink film is accurately detected by detecting infrared rays that are transmitted through and reflected by the functional ink film 302 according to the degree of evaporation of the solvent. Can be detected. Thereby, optimal heating conditions can be determined and a good quality thin film can be manufactured.
(Aspect C)
In (Aspect B), the shape of the irradiation part of the infrared irradiation of the Fourier transform infrared spectrophotometer is substantially the same as the shape of the solution applied on the substrate, and the size of the irradiation part of the infrared irradiation is the size of the solution. Less than that. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to accurately detect the dry state of the functional ink film.
(Aspect D)
In (Aspect C), when the heating means is a laser light source, the shape of the infrared irradiation portion of the Fourier transform infrared spectrophotometer is substantially the same as the shape of the laser light source irradiation portion, and the infrared irradiation portion. Is smaller than the size of the irradiated portion of the laser light source. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to accurately detect the dry state of the functional ink film.
(Aspect E)
In any one of (Aspect A) to (Aspect D), the infrared wavelength range of the Fourier transform infrared spectrophotometer is adjusted to the wavelength peak in the characteristic data when the solution coated on the substrate is dried. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to accurately detect the dry state of the functional ink film.
(Aspect F)
In (Aspect A), the heating means is a laser light source, and the laser light irradiation condition that is a heating condition is irradiation power, number of irradiations, or irradiation time. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to accurately detect the dry state of the functional ink film.
(Aspect G)
Using the thin film manufacturing apparatus according to any one of (Aspect A) to (Aspect F), a solution for forming an electromechanical conversion film is applied to a predetermined portion of a substrate, and the applied solution is subjected to heat treatment by a heating means. . According to this, as explained about the above-mentioned embodiment, a good-quality electromechanical conversion film can be manufactured.
(Aspect H)
After the first electrode is formed on the electromechanical conversion film of (Aspect G), the second electrode is disposed so as to sandwich the electromechanical conversion film formed on the first electrode. According to this, as explained about the above-mentioned embodiment, a good-quality electromechanical conversion element can be manufactured.
(Aspect I)
The electromechanical transducer of (Aspect H) was provided. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to provide a liquid droplet ejection head with few ejection defects.
(Aspect J)
The liquid droplet ejection head of (Aspect I) was provided. According to this, as described in the above embodiment, it is possible to provide a droplet discharge device with few image quality defects.
11 基板
12 SAM膜
13 フォトレジスト
14 液滴吐出ヘッド
15 PZT前駆体溶液
16 PZT膜
17 電気機械変換膜
20 シリコン基板
21 ノズル孔
22 ノズル板
22a 液室
30 振動板
41 密着層
42 下部電極
43 電気機械変換素子
44 上部電極
50 液体吐出ヘッド
100 インクジェット記録装置
201 Y軸駆動手段
202 ステージ
300 液滴吐出装置
301 機能インク
302 機能性インク膜
400 連続照射レーザ装置
401 レーザ光
402 機能性インク膜
500 パルス照射レーザ装置
501 レーザ光
502 機能性インク膜
600 リアルタイムレーザ制御装置
601 レーザ光照射装置
602 赤外線光源
603 検出器
604 レーザ光
605 赤外線
606 反射光
607 干渉計
11 Substrate 12 SAM Film 13 Photoresist 14 Droplet Discharge Head 15 PZT Precursor Solution 16 PZT Film 17 Electromechanical Conversion Film 20 Silicon Substrate 21 Nozzle Hole 22 Nozzle Plate 22a Liquid Chamber 30 Vibration Plate 41 Adhesion Layer 42 Lower Electrode 43 Electromechanical Conversion element 44 Upper electrode 50 Liquid discharge head 100 Inkjet recording apparatus 201 Y-axis drive unit 202 Stage 300 Droplet discharge apparatus 301 Functional ink 302 Functional ink film 400 Continuous irradiation laser apparatus 401 Laser light 402 Functional ink film 500 Pulse irradiation laser Device 501 Laser light 502 Functional ink film 600 Real-time laser control device 601 Laser light irradiation device 602 Infrared light source 603 Detector 604 Laser light 605 Infrared ray 606 Reflected light 607 Interferometer
Claims (10)
加熱された前記溶液の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段と、
前記溶液の乾燥状態に対する最適な加熱条件の関係の特性データを記憶する記憶手段と、
前記加熱手段によって加熱した前記溶液の乾燥状態を前記乾燥状態検出手段によって検出し、検出した前記溶液の乾燥状態に対応する最適な加熱条件を前記記憶手段に記憶している前記特性データから決定し、決定した前記加熱条件で前記加熱手段による加熱を制御する制御手段と
を有することを特徴とする薄膜製造装置。 In a thin film manufacturing apparatus comprising: an application unit that applies a solution obtained by dissolving a thin film forming material in a solvent to a predetermined portion of an object; and a heating unit that heats the solution applied by the application unit.
Dry state detection means for detecting the dry state of the heated solution;
Storage means for storing characteristic data of the relationship of optimum heating conditions with respect to the dry state of the solution;
The dry state of the solution heated by the heating unit is detected by the dry state detection unit, and an optimum heating condition corresponding to the detected dry state of the solution is determined from the characteristic data stored in the storage unit. And a control means for controlling heating by the heating means under the determined heating condition.
前記乾燥状態検出手段は、フーリエ変換赤外分光光度計を用いることを特徴とする薄膜製造装置。 The thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
The dry state detecting means uses a Fourier transform infrared spectrophotometer.
前記フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線照射の照射部分の形状と前記基板上に塗布された前記溶液の形状とが略同じであり、赤外線照射の照射部分の大きさが前記溶液の大きさより小さいことを特徴とする薄膜製造装置。 The thin film manufacturing apparatus according to claim 2,
The shape of the irradiated part of the infrared irradiation of the Fourier transform infrared spectrophotometer is substantially the same as the shape of the solution applied on the substrate, and the size of the irradiated part of the infrared irradiation is smaller than the size of the solution. A thin film manufacturing apparatus characterized by that.
前記加熱手段がレーザ光源である場合、前記フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線照射の照射部分の形状と前記レーザ光源の照射部分の形状とが略同じであり、赤外線照射の照射部分の大きさが前記レーザ光源の照射部分の大きさより小さいことを特徴とする薄膜製造装置。 The thin film manufacturing apparatus according to claim 2,
When the heating means is a laser light source, the shape of the irradiated portion of the infrared light of the Fourier transform infrared spectrophotometer is substantially the same as the shape of the irradiated portion of the laser light source, and the size of the irradiated portion of the infrared light irradiation. Is smaller than the size of the irradiated portion of the laser light source.
前記フーリエ変換赤外分光光度計の赤外線の波長範囲を、前記基板上に塗布された前記溶液の乾燥時の前記特性データにおける波長ピークに合わせることを特徴とする薄膜製造装置。 In the thin film manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
An apparatus for producing a thin film, characterized in that an infrared wavelength range of the Fourier transform infrared spectrophotometer is matched with a wavelength peak in the characteristic data when the solution coated on the substrate is dried.
前記加熱手段はレーザ光源であり、前記加熱条件であるレーザ光照射条件は、照射パワー、照射回数又は照射時間であることを特徴とする薄膜製造装置。 The thin film manufacturing apparatus according to claim 1,
The said heating means is a laser light source, The laser beam irradiation conditions which are the said heating conditions are irradiation power, the frequency | count of irradiation, or irradiation time, The thin film manufacturing apparatus characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011202974A JP5988128B2 (en) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | Thin film manufacturing apparatus and electromechanical conversion film manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011202974A JP5988128B2 (en) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | Thin film manufacturing apparatus and electromechanical conversion film manufacturing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013065671A true JP2013065671A (en) | 2013-04-11 |
JP5988128B2 JP5988128B2 (en) | 2016-09-07 |
Family
ID=48188927
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011202974A Expired - Fee Related JP5988128B2 (en) | 2011-09-16 | 2011-09-16 | Thin film manufacturing apparatus and electromechanical conversion film manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5988128B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113844172A (en) * | 2020-06-26 | 2021-12-28 | 株式会社理光 | Apparatus and image forming apparatus |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006314931A (en) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Seiko Epson Corp | Droplet ejection apparatus and pattern forming method |
JP2011054716A (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-17 | Ricoh Co Ltd | Method of manufacturing electromechanical conversion element, electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method, droplet discharging head, and droplet discharging apparatus |
-
2011
- 2011-09-16 JP JP2011202974A patent/JP5988128B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006314931A (en) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Seiko Epson Corp | Droplet ejection apparatus and pattern forming method |
JP2011054716A (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-17 | Ricoh Co Ltd | Method of manufacturing electromechanical conversion element, electromechanical conversion element manufactured by the manufacturing method, droplet discharging head, and droplet discharging apparatus |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113844172A (en) * | 2020-06-26 | 2021-12-28 | 株式会社理光 | Apparatus and image forming apparatus |
EP3928993A1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-12-29 | Ricoh Company, Ltd. | Device for applying energy to a substrate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5988128B2 (en) | 2016-09-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5423414B2 (en) | Electromechanical conversion film manufacturing method, electromechanical conversion film, electromechanical conversion film group, electromechanical conversion element manufacturing method, electromechanical conversion element, electromechanical conversion element group, liquid discharge head, liquid discharge apparatus, and image forming apparatus | |
US8833921B2 (en) | Thin-film forming apparatus, thin-film forming method, piezoelectric-element forming method, droplet discharging head, and ink-jet recording apparatus | |
US20130164436A1 (en) | Thin film manufacturing apparatus, thin film manufacturing method, liquid droplet ejecting head, and inkjet recording apparatus | |
JP5724490B2 (en) | Piezoelectric actuator and manufacturing method thereof, liquid discharge head, and recording apparatus | |
US9461239B2 (en) | Method of heating, method of producing piezoelectric film, and light irradiation device | |
JP5919630B2 (en) | Thin film forming apparatus, thin film forming method, piezoelectric element forming method, and droplet discharge head manufacturing method | |
JP5884272B2 (en) | Thin film manufacturing method | |
JP6015108B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus and thin film manufacturing method | |
JP2013063371A (en) | Method for adjusting alignment of thin film forming device, thin film forming device, and electromechanical conversion film, electromechanical conversion element, liquid droplet discharge head and liquid droplet discharge device produced with the method | |
JP2012033779A (en) | Thin film deposition apparatus, thin film deposition method, droplet discharge head and ink jet recording apparatus | |
JP6015014B2 (en) | THIN FILM FORMING METHOD, THIN FILM FORMING DEVICE, ELECTRO-MECHANICAL CONVERSION ELEMENT FORMING METHOD, AND LIQUID DISCHARGE HEAD MANUFACTURING METHOD | |
JP5988128B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus and electromechanical conversion film manufacturing method | |
JP5736819B2 (en) | Method for producing electromechanical conversion film and method for producing electromechanical conversion element | |
JP5891782B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus, thin film manufacturing method, liquid droplet ejection head, and ink jet recording apparatus | |
JP5857548B2 (en) | Thin film manufacturing method, electromechanical transducer manufacturing method, and liquid discharge head manufacturing method | |
JP5831798B2 (en) | Method for producing electromechanical conversion film | |
JP2012186278A (en) | Manufacturing method of electromechanical conversion film and electromechanical conversion film | |
JP5919814B2 (en) | Method for manufacturing electromechanical transducer, method for manufacturing droplet discharge head | |
JP5880031B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus, thin film manufacturing method, manufacturing method of droplet discharge head | |
JP5862286B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus, thin film manufacturing method, manufacturing method of droplet discharge head | |
JP5741102B2 (en) | Electromechanical transducer manufacturing method, electromechanical transducer, droplet discharge head, and droplet discharge apparatus | |
JP5824999B2 (en) | Thin film manufacturing apparatus and thin film manufacturing method | |
JP2013168397A (en) | Liquid droplet discharge head, method for forming liquid droplet discharge dead, and inkjet recording device | |
JP6098934B2 (en) | Electromechanical conversion film manufacturing apparatus and method | |
JP5891820B2 (en) | Thin film forming method, electro-mechanical conversion element manufacturing method, and liquid discharge head manufacturing method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140812 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150526 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150605 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150724 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150911 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20151109 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160513 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160630 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160715 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160728 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5988128 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |