(57)【要約】【課題】圧電体膜の結晶配向性を向上させて圧電特性の優れたアクチュエータを得る。【解決手段】振動板１５の最上層の薄膜としてＬＰＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１４を形成した後、該シリコン酸化膜１４の表面をＩＣＰエッチャーにより酸素プラズマ照射することにより、シリコン酸化膜からなる表面改質層１４ａを形成し、その後、該表面改質層１４ａの上に、下部電極１６、圧電体膜１７、および上部電極１８からなる圧電体素子を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＰＣＶＤ法により１層以上の薄膜を積層して振動板を形成する工程と、
該振動板の最上層の薄膜の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成する工程と、
該表面改質層の上に、下部電極、圧電体膜、および上部電極からなる圧電体素子を形成する工程と、
を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記振動板の最上層の薄膜としてＬＰＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成した後、該シリコン酸化膜の表面をプラズマ照射することにより、前記シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項３】
ＬＰＣＶＤ法により前記振動板の最上層の薄膜としてポリシリコンあるいはアモルファスシリコンからなるシリコン膜を形成した後、該シリコン膜を熱酸化することにより、前記シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記表面改質層の厚さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記圧電体膜は、化学式ＡＢＯ３で記述され、組成元素ＡはＰｂ、Ｂａ、Ｓｒから選択され、組成元素ＢはＴｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂから選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のアクチュエータの製造方法により製造されたアクチュエータ。
【請求項７】
基板上に設けられた請求項６に記載のアクチュエータと、
前記基板に設けられた液体を収容する加圧液室と、
前記加圧液室に対応する位置にノズル孔が設けられており、前記加圧液室を覆うように前記基板に接合されるノズル基板と、を備え、
前記アクチュエータにより、前記加圧液室内の液体を加圧して、前記ノズル孔から前記液体を吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクと、
を備えたことを特徴とするインクカートリッジ。
【請求項９】
請求項８に記載のインクカートリッジを備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式のプリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置等に備えられた、インク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動源である圧電アクチュエータ等のアクチュエータの製造方法、該アクチュエータの製造方法によって製造されたアクチュエータ、該アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジ、および該インクカートリッジを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置として使用される液滴吐出装置の液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）と、加圧室内のインクを加圧する駆動源としての圧電アクチュエータとを備えたものが知られている。圧電アクチュエータは、振動板と圧電体素子とを備え、圧電体素子に電圧を印加することによって発生したエネルギーを用いて振動板を変形変位させ、加圧室内のインクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させている。
【０００３】
圧電アクチュエータは、圧電体素子の自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、大きな圧電定数が得られるため、圧電膜の自発分極軸と電界印加方向とは完全に一致することが最も好ましい。特に、液滴吐出装置の駆動源として用いる場合には、インク吐出量のばらつき等を抑制するには、圧電体膜の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましい。これらの点を考慮すれば結晶配向性に優れた圧電体膜が好ましい。
【０００４】
かかる駆動源として用いられる圧電アクチュエータとしては、半導体プロセスやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用することにより形成することが可能である。例えば、基板上に、振動板と、下部電極、圧電体膜および上部電極からなる圧電体素子とを薄膜形成技術により形成し、リソグラフィ法によりパターニングすることにより得ることができる。
【０００５】
振動板は、従来から種々の検討がなされており、液滴吐出ヘッドの液室の一壁面を構成する基板にシリコン膜を設けて、熱酸化することにより得られる熱酸化シリコン膜の他、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜、またはこれらの膜を積層した膜、または、上層との熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜等のセラミック膜が用いられている。振動板をＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜する場合、半導体、ＭＥＭＳデバイスが一般的に適用されており、加工もし易いことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板が得られる。
【０００６】
圧電体膜にＰＺＴ（（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３）：チタン酸ジルコン酸鉛）を用いたアクチュエータを有する液滴吐出ヘッドに採用されている振動板の構成では、下部電極の下地層と接する膜は、ＬＰＣＶＤ法で成膜されたシリコン酸化膜が用いられる。このＬＰＣＶＤ法で成膜されたシリコン酸化膜は、熱シリコン酸化膜と比較して、膜質が劣り、この上層に成膜した下部電極層Ｐｔの（１１１）配向ピーク強度は、熱シリコン酸化膜上に成膜されたものに比べて、Ｐｔ（１１１）配向ピーク強度は１桁小さい。従って、この下部電極層上に形成されるＰＺＴ層の配向率は７０％程度となり、十分な圧電特性が得られない。なお、振動板が熱シリコン酸化膜で形成されている場合、ＰＺＴ膜の（１１１）配向率は、安定して高い配向率９５％以上を示す。
そのために、この圧電体素子を具備したアクチュエータは、十分な変位量を得られず、さらにこのアクチュエータを具備した液滴吐出ヘッドでは、所望する液滴吐出特性が安定に且つ効率よく得られないという問題があった。
このように、ＰＺＴ配向度は、下部電極層の配向度に依存し、また下部電極層の配向度は、電極層直下の絶縁膜表面に大きく影響を受ける。そこで、これまで圧電体膜の配向性向上させるために種々の開発や研究がなされている。
【０００７】
例えば、特許文献１においては、圧電体薄膜の配向度を安定して再現性良く得るために、初回の成膜における焼成温度を他の回の焼成温度より高い温度とすることにより、ＰＺＴ（１００）の配向率を向上させる。しかし、焼成温度を高くすることにより、下部電極層と圧電体層との熱ストレスによる膜剥がれ、圧電体層のクラック、あるいは高い温度ほどＰｂの下電極層への拡散も起こりやすくなり、信頼性低下や特性劣化を招く恐れがある。
【０００８】
また、特許文献２においても、ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電体膜を成膜した後、酸素雰囲気中で成膜時に圧電体膜に加えた温度以下で圧電体膜をアニール処理することが提案されている。圧電素子成膜後に成膜時より低い温度で酸素雰囲気化の熱処理を行うことにより、圧電体特性の向上を図っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
薄膜ＰＺＴヘッドにおいては、ＰＺＴ（１１１）配向度は、圧電特性に大きく影響する。高い圧電特性を得て、且つ連続駆動での特性劣化を抑制する為には、ＰＺＴの（１１１）配向度が高い膜が必要である。そして、このＰＺＴ（１１１）配向度は、その下層に設けられている下部電極層の配向性(率)を反映することが知られている。その下部電極層の配向性は、さらに、下部電極層直下の下地層の表面の化学的および物理的状態影響を受ける。効率の良い圧電特性を有する、ＰＺＴ圧電体膜を安定して得るためには、この下部電極層の下地層の表面状態を所望の状態に制御することが重要である。
【００１０】
しかし、下部電極層下層の絶縁膜がＬＰＣＶＤ法で成膜されたシリコン酸化膜、アモルファスＳｉやポリシリコン膜は、熱酸化法で形成したシリコン酸化膜のように化学的に安定した４価のＳｉ−Ｏ結合だけでなく、４価以外のＳｉ−Ｏ結合や不純物によるＳｉ−Ｃ結合等が混在しており、熱酸化法で形成したシリコン酸化膜と比べて、その膜質が均一でない。また、Ｓｉ基板上に成膜した熱酸化膜表面とＬＰＣＶＤ法で成膜された積層膜表面では、表面ラフネスが異なり、熱酸化膜表面ラフネスの方が小さい。その膜質が不安定であるがゆえに、熱処理前の圧電体配向度にばらつきがあることから、熱処理後もそのバラツキを反映してしまい、安定して圧電体配向度を得ることが難しく、圧電体特性を再現性良く得ることができない為に、バラツキの少ない高品質な圧電体素子を形成することが困難である。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、振動板、下部電極、圧電体膜、および上部電極をこの順に積層してなるアクチュエータの製造方法であって、下部電極を形成する前の下地層表面を改質し、さらに下部電極の上に形成される圧電体膜において高い配向率を得ることが可能なアクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、ＬＰＣＶＤ法により１層以上の薄膜を積層して振動板を形成する工程と、該振動板の最上層の薄膜の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成する工程と、該表面改質層の上に、下部電極、圧電体膜、および上部電極からなる圧電体素子を形成する工程と、を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のアクチュエータの製造方法によれば、振動板の最上層の薄膜の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成するので、振動板の上層である下部電極の結晶配向性を向上することができ、また、さらには、下部電極の結晶配向性の影響を受ける圧電体膜の結晶配向性を向上することができ、配向率が向上された圧電特性の優れたアクチュエータを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のアクチュエータの製造方法により製造されたアクチュエータの断面図である。
【図２】本発明の液滴吐出ヘッドの製造過程を示す断面図である。
【図３】本発明の液滴吐出ヘッドの製造過程を示す断面図である。
【図４】本発明の液滴吐出ヘッドの液室長辺方向の断面図である。
【図５】本発明の液滴吐出ヘッドの斜視図である。
【図６】本発明のインクカートリッジの斜視図である。
【図７】本発明の画像形成装置の斜視図である。
【図８】本発明の画像形成装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態である圧電型アクチュエータの製造方法について図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態である圧電型アクチュエータの製造方法によって製造される圧電型アクチュエータの断面図である。
本発明のアクチュエータの製造方法は、ＬＰＣＶＤ法により１層以上の薄膜を積層して振動板１５を形成する工程と、該振動板１５の最上層の薄膜１４の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層１４ａを形成する工程と、該表面改質層１４ａの上に、下部電極１６、圧電体膜１７、および上部電極１８からなる圧電体素子１９を形成する工程とを有するものである。
以下、本実施形態の詳細について説明する。
【００１６】
（基板）
基板は、面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種類あるが、ここでは、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いる。厚さとしては、通常１００μｍ〜６００μの範囲が好ましい。
【００１７】
（振動板）
振動板１５は、基板１１上に、ＬＰＣＶＤ法により、シリコン酸化膜１２（例えば、厚さ１μｍ）、シリコン窒化膜１３（例えば、厚さ３μｍ）、シリコン酸化膜１４（例えば、厚さ１μｍ）をこの順に積層することにより形成する。
振動板は、振動板としての機能と後のプロセス整合性を確保していれば、単層、積層膜のどちらでもよい。
【００１８】
振動板の材料としては、例えば、ＬＰＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、あるいはアモルファスシリコン膜等のシリコン膜、またはシリコン窒化膜として、これらを所望の振動板剛性になるように１層以上積層して成膜する。プロセス性剛性、振動板剛性、及び振動板全体の応力を鑑みて、積層数は、３〜７層程度が好ましい。後の共通電極との密着性を確保する為に振動板の最上層は、ＬＰＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜とすることが望ましい。
振動板の上に形成される下部電極は、圧電体素子の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、もしくは導体であれば絶縁処理が施されていることになる。
【００１９】
膜厚としては、０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍがさらに好ましい。この範囲より小さいと、例えばインクジェット記録装置などの画像形成装置の液滴吐出ヘッドに用いる場合には、加圧室の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地が変形変位しにくくなり、加圧室内部に収容された液滴の吐出が不安定になる。
【００２０】
（表面改質層）
次に、振動板の最上層の薄膜であるシリコン酸化膜１４の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層１４ａを形成する。表面改質層１４ａは、化学的に熱酸化膜と同様に４価のＳｉ−Ｏ結合が支配的であるか、物理的に表面ラフネスが熱酸化膜表面と同等であるかのどちらか、あるいは両方を満足していることが必要である。
本実施形態では、振動板の最上層の薄膜としてＬＰＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１４を形成した後、該シリコン酸化膜１４の表面をプラズマ照射することにより、シリコン酸化膜からなる表面改質層１４ａを形成している。
以下、プラズマ照射することにより、シリコン酸化膜からなる表面改質層を形成する工程の詳細について説明する。
【００２１】
プラズマ照射に用いる装置として、高密度プラズマ源を有するＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ)エッチャーを用いることができる。その場合、ＩＣＰエッチングガスとしては、酸素を用いることが望ましい。
プラズマ照射の条件として、例えば、酸素ガス流量：１０〜１００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力：０．５〜１．５Ｐａ、温度：０〜５０℃、時間：３〜１５分、反応室内電圧（DC bias）５０Ｖ〜５００Ｖとすることができる。これにより、表面から厚さ１０ｎｍ〜２００ｎｍの表面改質層１４ａを得ることができる。
プラズマ照射の条件は、上記条件に限られず、所望の深さおよび結晶質が得られるように適宜条件を選択することが可能である。
プラズマ照射により形成される表面改質層１４ａの厚さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
ＩＣＰエッチャーを用いる場合、エッチングガスに電磁波などを与えてプラズマ化し、同時に基板側に高周波電圧を印加すると、基板とプラズマとの間に自己バイアス電位が生じ、プラズマ中のイオン種やラジカル種が振動板１５の最上層の薄膜であるシリコン酸化膜１４の表面に加速して衝突する。その際、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスとの化学反応が同時に起こり、微細加工に適した高い精度でのエッチングを行うことができる。ここでは、エッチングガスとして酸素を用い、酸素プラズマを発生させて、酸素プラズマ中に基板（振動板表面）を曝すことで、振動板の最上層であるシリコン酸化膜１４の表面が改質される。すなわち、プラズマ照射により、振動板の表面が、熱酸化法で形成されたシリコン酸化膜と化学的あるいは物理的に同様の状態に改質される。
【００２３】
ＬＰＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜中には、化学的に安定した４価のＳｉ−Ｏ結合だけでなく、４価以外のＳｉ−Ｏ結合や不純物によるＳｉ−Ｃ結合等が混在しており、熱酸化法で形成したシリコン酸化膜と比べて、その膜質が均一でない。そこで、酸素プラズマを照射することにより、ＬＰＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜中のＳｉ−Ｃ結合の炭素元素をスパッタリングあるいは化学反応して炭素原子を除去することができる。これにより、シリコン酸化膜からなる表面改質層の結晶質は、熱酸化されたシリコン酸化膜と同等に、４価のＳｉ−Ｏ結合が支配的となっている。このため、振動板の上層に形成される下部電極の結晶配向性を向上することができ、さらにその下部電極の影響を受ける圧電体膜の結晶配向性を向上させることができる。
【００２４】
なお、プラズマ照射に用いるガスは、酸素の他、酸素にアルゴン、ヘリウムあるいは窒素等を添加したガスを用いることもできる。
【００２５】
また、本実施形態では、プラズマ照射に用いる装置として、ＩＣＰエッチャーを用いているが、平行平板プラズマ装置、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置、磁場アシスト型ＲＩＥ装置等を用いてもよい。
【００２６】
次に、表面改質層の上に、例えば、スパッタ法によりＰｔ下部電極１６を形成し、スパッタ法によりジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体膜１７を形成し、スパッタ法によりＰｔ上部電極１８を形成し、下部電極、圧電体膜および上部電極からなる圧電体素子１９を形成する。その後、フォトレジスト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技術でレジストパターンを形成した後、ＩＣＰエッチング装置等を用いて上部電極および圧電体膜をパターニングし、圧電型アクチュエータを製造する。
【００２７】
（下部電極）
下部電極は、（１１１）配向を有する層からなる。ただし、下部電極が密着層を含むように構成される場合には、密着層を除く部分あるいは全体を（１１１）配向を有する層とする。この点において、下部電極は、（１１１）配向を有する層を含む。下部電極の材質としては、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３から選ばれる少なくとも１種類を主成分とする金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
【００２８】
なお、圧電体膜にＰＺＴを用いた場合、ＰＺＴに含有される鉛（Ｐｂ）に対して、白金電極では十分なバリア性を有するとはいえない場合があるので、必要に応じて、イリジウムや白金−ロジウム等の白金族元素からなる電極や、これら合金膜も用いることができる。また、白金電極表面に、鉛（Ｐｂ）に対してバリア性を有する導電性材料膜（例えば、導電性酸化物）を設けてもよい。このような方法により、下部電極に白金を用い、圧電体膜にＰＺＴを用いた場合でも金属電極の特性が劣化することは回避される。導電性酸化物を用いた場合には、振動板の最上層がシリコン酸化物である場合は、十分な密着力を得ることができる。
【００２９】
下部電極の作製方法としては、一般的なスパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が適用できる。下部電極の膜厚としては、０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍがさらに好ましい。またこのとき、圧電体膜としてＰＺＴを選択したときにその結晶性として（１１１）配向を有していることが好ましい。そのために下部電極の材料としては（１１１）配向性が高いＰｔを含む。
下部電極は、インクジェット記録装置の液滴吐出ヘッドに用いる場合は、共通電極として機能する。
【００３０】
（圧電体膜）
圧電体膜１７の材料としては、複合酸化物から構成される材料が挙げられる。
このような複合酸化物としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の他、化学式ＡＢＯ３（Ａ＝Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒから選択される元素、Ｂ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂから選択される元素を主成分とする）で記述される材料が挙げられる。その具体的な記述例として、例えば、（Ｐｂ１−ｘ,Ｂａｘ）(Ｚｒ１−ｙ,Ｔｉｙ)Ｏ３、（Ｐｂ１−ｘ,Ｓｒｘ）(Ｚｒ１−ｙ,Ｔｉｙ)Ｏ３などが挙げられる。これらは、一般式ＡＢＯ３におけるＡサイトのＰｂを一部ＢａやＳｒで置換した場合である。このような置換は２価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
圧電体膜の材料の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。
【００３１】
圧電体膜の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えばイオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法、あるいはインクジェット法等などで成膜してもよい。
【００３２】
ゾルゲル法によって形成する場合は以下の材料により形成することができる。出発材料に酢酸鉛、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用い、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を得る。この均一溶媒をＰＺＴ前駆体溶液と呼ぶ。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料は、上記所望の化学式に従って秤量される。なお、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。
【００３３】
この前駆体溶液を用いて下地となる電極上にスピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、仮焼成（熱分解）、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。仮焼成の位置付けは、溶媒乾燥後でも存在するＰＺＴ前駆体中の「有機物の熱分解」を目的としている。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１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。インクジェット記録装置のような液体噴射装置の圧電体素子として用いる場合、このＰＺＴ膜の膜厚は１μｍ〜２μｍが要求される。前述の方法でこの膜厚を得るには十数回、工程を繰り返す。
【００３４】
また、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の場合には、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が可能である。
【００３５】
インクジェット法により形成する場合については、下部電極と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることが可能である。下部電極の下地が酸化物である場合は、主にシラン化合物、金属を下地とする場合は主にアルカンチオールを選定する。
【００３６】
なお、圧電体膜の膜厚としては０．５μｍ〜５μｍが好ましく、さらに好ましくは１μｍ〜２μｍである。この範囲より膜厚が薄いと十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より膜厚が厚いと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
【００３７】
（上部電極）
上部電極としては、前記下部電極と同様の材料（白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等の単金属からなる白金族電極や、白金−ロジウムなどの合金膜からなる電極）を用いることができる。
また、前述のように圧電体膜として、鉛を含む複合酸化物（ＰＺＴ）を使用する場合、鉛と上部電極（金属）との反応、もしくは上部電極への拡散が生じて圧電特性を劣化させる場合があるので、必要に応じて鉛（Ｐｂ）に対してバリア性を有する導電性材料（例えば、導電性酸化物）を用いることもできる。
【００３８】
本実施形態のアクチュエータの製造方法により製造された圧電型アクチュエータは、図１に示すように、基板１１上に、ＬＰＣＶＤ法により成膜された振動板１５、下部電極１６、圧電体膜１７、および上部電極１８を積層してなるものである。振動板１５は、３層の薄膜積層体からなり、最上層の薄膜であるシリコン酸化膜１４の表面には、表面改質層１４ａが形成されている。下部電極、圧電体膜および上部電極により圧電体素子が構成され、上部電極および下部電極により圧電体膜に電圧が印加され発生したエネルギーにより振動板を変形変位させる。
このようにして製造された圧電型アクチュエータの振動板の表面は、熱酸化されたシリコン酸化膜と同等に、４価のＳｉ−Ｏ結合が支配的な結晶状態となっている。このため、下部電極のＰｔ、及び圧電体膜のＰＺＴ配向率は、熱酸化法で形成したシリコン酸化膜上に成膜したものと同程度の９０％以上の（１１１）配向率を示す。
なお、配向率（％）は、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）で得られた各配向のピーク強度の総和に対する、任意の配向のピーク強度の比率を表す。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態である圧電型アクチュエータの製造方法について説明する。本実施形態の圧電型アクチュエータの製造方法は、表面改質層を形成する方法が上記第１の実施形態と異なる。それ以外は、上記第１の実施形態と同様であり、同符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法は、ＬＰＣＶＤ法により１層以上の薄膜を積層して振動板１５を形成する工程と、該振動板１５の最上層の薄膜１４の表面に、シリコン酸化膜からなる表面改質層１４ａを形成する工程と、該表面改質層１４ａの上に、下部電極１６、圧電体膜１７、および上部電極１８からなる圧電体素子１９を形成する工程とを有するものである。
以下、本実施形態における振動板および表面改質層を形成する工程について説明する。
【００４０】
（振動板）
基板１１上に、第１の実施形態と同様に、ＬＰＣＶＤ法により、シリコン酸化膜１２、シリコン窒化膜１３の薄膜を積層する。上記第１の実施形態では最上層にシリコン酸化膜１４を形成したが、本実施形態では、ＬＰＣＶＤ法により、アモルファスシリコン、あるいはポリシリコン膜からなるシリコン膜を成膜する。
【００４１】
（表面改質層）
本実施形態では、ＬＰＣＶＤ法により前記振動板の最上層の薄膜としてポリシリコンあるいはアモルファスシリコンからなるシリコン膜を形成した後、該シリコン膜を熱酸化することにより、振動板の表面にシリコン酸化膜からなる表面改質層を形成するものである。
振動板が形成された基板を、熱酸化炉に投入し、振動板の最上層のアモルファスＳｉあるいはポリシリコンを、例えば、加熱温度８００〜１０００℃程度で、１０〜６０分程度、熱酸化を行う。これにより、熱酸化されたシリコン酸化膜からなる表面改質層の厚さは、２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度とすることができる。
熱酸化の条件は、上記条件に限らず、表面改質層の所望の深さが得られるように適宜条件を選択することが可能である。
【００４２】
本実施形態では、アモルファスＳｉやポリシリコンからなるシリコン膜を任意の厚さ成膜し、熱酸化することにより、上記第１の実施形態の表面改質層に比べて、良質で膜厚についても自由度の高いシリコン酸化膜からなる表面改質層を形成できる。またさらに、振動板の最上層の表面のみを熱酸化するので、設計された振動板の剛性等を変異させることも無い。
熱酸化によるシリコン酸化膜からなる表面改質層は、化学的に安定した４価のＳｉ−Ｏ結合が支配的であり、その膜質も均一である。また、ＬＰＣＶＤ法によるシリコン酸化膜に比べ表面ラフネスも小さい。したがって、上記第１の実施形態に比べて、さらに、下部電極のＰｔ（１１１）、および圧電体膜のＰＺＴ（１１１）結晶配向を優先配向させることができ、ＰＺＴ（１１１）配向率は、熱酸化法で形成したシリコン酸化膜上に成膜したものと同様、９０％以上の（１１１）配向率を示す。
【００４３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の液滴吐出ヘッドについて説明する。
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、上記第１の実施形態によるアクチュエータの製造方法によって製造される圧電型アクチュエータを駆動源として用いられている。この圧電型アクチュエータは、液滴吐出ヘッドの加圧液室や液体流路が形成される基板上に作製されるものである。
以下、液滴吐出ヘッドの製造工程について説明する。図２および図３は液滴吐出ヘッドの製造工程を示す図である。図４は、本発明の液滴吐出ヘッドの液室長辺方向の断面図である。図５は、液滴吐出ヘッドの斜視図である。
【００４４】
液滴吐出ヘッドの第一の基板にアクチュエータ等を形成する工程について説明する。
図２（ａ）に示すように、第一の基板２１として面方位（１１０）のシリコン単結晶基板（例えば板厚４００μｍ）上に振動板２２を成膜する。この振動板２２は、振動板としての機能と後のプロセス整合性を確保していれば、単層、積層膜のどちらでもよい。
例えば、振動板２２の材料として、ＬＰＣＶＤ法でシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、あるいはアモルファスシリコン膜、シリコン窒化膜を用いることができる。これらを所望の振動板剛性になるように薄膜を積層して薄膜積層体からなる振動板２２を形成する。プロセス性剛性、振動板剛性、及び振動板全体の応力を鑑みて、積層数は、３〜７層程度が好ましい。後の共通電極２３との密着性を確保する為に振動板２２の最上層は、ＬＰＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜とする。振動板２２の構成膜を全て成膜した後に、振動板の最上層であるＬＰＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜の最表面を改質し、表面改質層２２ａを形成する。この表面改質層２２ａは、第１の実施形態で述べたように、酸素プラズマ照射することにより形成することができる。これにより、表面改質層が熱酸化法で形成されたシリコン酸化膜と化学的、物理的に同様の状態に改質される。
【００４５】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、ＴｉとＰｔからなる共通電極（下部電極）２３をスパッタ法で例えば各々３０ｎｍと１００ｎｍ成膜する。次に、共通電極２３上に圧電体膜２４としてＰＺＴを例えばスパッタ法で２μｍの厚さで成膜する。次に、Ｐｔからなる個別電極（上部電極）２５をスパッタ法で例えば１００ｎｍ成膜する。
ここで、圧電体膜２４の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えばイオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法、あるいはインクジェット法等などで成膜してもよい。ここで、そしてリソグラフィ法とエッチングとにより、後に形成する加圧液室３５に対応する位置に圧電体素子２６を形成するため、個別電極２５と圧電体膜２４をパターニングする。その後、共通電極２３をリソグラフィ法とエッチングとにより、パターニングする。このとき、後の共通液滴流路３１の部分の共通電極２３を除去しておく。
【００４６】
次に、図２（ｃ）に示すように、共通電極２３および圧電体膜２４と、後に形成する引き出し配線２９とを絶縁するために層間絶縁膜２７を成膜する。層間絶縁膜２７は、例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ２膜を成膜する。層間絶縁膜２７は、圧電体素子や電極材料に影響を及ぼさず、絶縁性を有する膜であれば、プラズマＣＶＤ法のＳｉＯ２以外の膜でもよい。
次に、層間絶縁膜２７に、個別電極２５と後に形成する引き出し配線２９とを接続するための接続孔２８を、リソグラフィ法とエッチングにより形成する。ここで図示していないが、共通電極２３も引き出し配線２９と接続する場合は、同様に接続孔を形成する。
【００４７】
次に、図２（ｄ）に示すように、引き出し配線２９として、例えばＴｉＮ／Ａｌを各々膜厚３０ｎｍ/１μｍとしてスパッタ法で成膜する。
【００４８】
次に、図２（ｅ）に示すように、一般的な方法でレジストをスピンコート法で所望の膜厚に塗布した後、マスクを用いて露光および現像処理を行い、レジストパターン（不図示）を形成する。次に、引き出し配線２９をドライエッチ法でエッチングし所望のパターンを形成する。その後、レジストパターンをＯ２プラズマ処理等で除去する。
【００４９】
次に、図３（ａ）に示すように、また引き出し配線２９を保護する目的でパッシベーション膜３０を形成する。パッシベーション膜３０は、例えば、プラズマＣＶＤ法でシリコン窒化膜を８００ｎｍ厚成膜する。その後、リソグラフィ法とエッチングにより、引き出し配線２９の外部接続パッド部(不図示)とアクチュエータ部３２を開口する。またこの時、同時に共通液滴流路３１の開口も行う。
【００５０】
次に、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィ法とエッチングにより、共通液滴流路３１と後の共通液室３３になる箇所の振動板２２を除去する。
【００５１】
次に、図３（ｃ）に示すように、後の工程で、加圧液室３５、共通液室３３および流体抵抗部３４を形成するために、第一の基板２１を所望の厚さｔ（例えば厚さ８０μｍ）になるように、公知の技術で研磨する。研磨法以外にもエッチングなどでもよい。
【００５２】
次に、図３（ｄ）に示すように、リソグラフィ法により、加圧液室３５、共通液室３３、流体抵抗部３４以外の隔壁部をレジストで被覆する。その後、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液、あるいはＴＭＨＡ溶液）で異方性ウェットエッチをおこない加圧液室３５、共通液室３３、流体抵抗部３４を形成する。アルカリ溶液による異方エッチ以外にＩＣＰエッチャーを用いたドライエッチで加圧液室３５、共通液室３３および流体抵抗部３４を形成してもよい。
【００５３】
次に、図４に示すように、別に形成した各加圧液室３５に対応した位置にノズル孔５２を開口したノズル基板５１を、第一の基板２１の加圧液室側に接合する。そして、液滴供給口４２、アクチュエータ部３２の位置に対応したザグリ４３を備えた第二の基板４１を、第一の基板２１の圧電体素子側に接合することにより液滴吐出ヘッド２０が完成する。
【００５４】
上記のように作製された本実施形態である液滴吐出ヘッド２０は、図４および図５に示すように、第三の基板５１に設けたノズル孔５２から液滴を吐出させるサイドシュータータイプのものであり、第一の基板２１に液体吐出エネルギーを発生する圧電体素子２６、振動板２２を備えた加圧液室隔壁３６、加圧液室３５、流体抵抗部３４、および共通液室３３を形成している。各加圧液室３５は、加圧液室隔壁３６で仕切られている。
【００５５】
第二の基板４１には、外部から液滴を供給する液滴供給口４２、共通液滴流路３１、および振動板２２が撓むことができるようにザグリ４３が形成されている。
【００５６】
第三の基板（ノズル基板と称される場合もある）５１には、個々の加圧液室３５に対応した位置にノズル孔５２が形成されている。これら第一の基板２１、第二の基板４１、および第三の基板５１を接合することにより、液滴吐出ヘッド２０が形成されている。
第一の基板２１は、加圧液室３５の一部壁面を形成する振動板２２と振動板２２を介して加圧液室３５と対向する側に圧電体素子２６が形成されている。圧電体素子２６は、共通電極２３、圧電体膜２４および個別電極２５から形成されている。振動板２２と圧電体素子２６により圧電型アクチュエータ部３２が形成されている。また、共通液室３３の振動板２２側面に、共通液滴流路３１が形成されており、ここから液滴であるインクを外部から供給できるようになっている。
【００５７】
このように形成された液滴吐出ヘッド２０においては、各加圧液室３５内に液体、例えば記録液（インク）が満たされた状態で、図示しない制御部から画像データに基づいて、記録液の吐出を行いたいノズル孔５２に対応する個別電極２５に対して、発振回路により、引き出し配線２９、層間絶縁膜２７に形成された接続孔２８を介して、例えば２０Ｖのパルス電圧を印加する。この電圧パルスを印加することにより、圧電体膜２４は、電歪効果により圧電体膜２４そのものが振動板２２と平行方向に縮むことにより、振動板２２が加圧液室３５方向に撓む。これにより、加圧液室３５内の圧力が急激に上昇して、加圧液室３５に連通するノズル孔５２から記録液が吐出する。
次に、パルス電圧印加後は、縮んだ圧電体膜２４が元に戻ることから撓んだ振動板２２は、元の位置に戻るため、加圧液室３５内が共通液室３３内に比べて負圧となり、外部から液滴供給口４２を介して供給されているインクが共通液滴流路３１、共通液室３３から流体抵抗部３４を介して加圧液室３５に供給される。これを繰り返すことにより、液滴を連続的に吐出でき、液滴吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体（用紙）に画像を形成する。
【００５８】
このような液滴吐出ヘッドは、本発明のアクチュエータの製造方法により製造される圧電型アクチュエータを備えており、振動板２２の最上層のＬＰＣＶＤ法で成膜したシリコン酸化膜の表面をプラズマ照射することにより改質し、表面改質層２２ａを形成しているので、共通電極２３の（１１１）結晶配向を向上させることができ、圧電体膜２４の（１１１）配向率を９０％以上で優先配向させることができている。このため、バラツキの少ない安定した圧電特性が得られ、また連続駆動における劣化も抑制されることから、高精度、高密度で信頼性が高く安定した液滴吐出ヘッドを歩留まりよく製造することができる。
【００５９】
（第４の実施形態）
次に、本発明の液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジについて図６を参照して説明する。
このインクカートリッジ６０は、ノズル６１等を有する液滴吐出ヘッド６３と、この液滴吐出ヘッド６３に対してインクを供給するインクタンク６２とを一体化されてなるものである。このようにインクタンク６２と一体型の液滴吐出ヘッドの場合、液滴吐出ヘッドを本発明による液滴吐出ヘッドとしているため、高精度化、高密度化、および高信頼化することができ、インクカートリッジ６０の歩留まりや信頼性を向上することができ、インクカートリッジ６０の低コスト化を図ることができる。
【００６０】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態である画像形成装置の一例であるインクジェット記録装置について、図７および図８を参照して説明する。このインクジェット記録装置は、本発明の液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジが装着されている。図７は、インクジェット記録装置の斜視図である。図８は、インクジェット記録装置の機構部の構成を示す側面図である。
このインクジェット記録装置９０は、装置本体の内部に走査方向に移動可能なキャリッジ９８とキャリッジ９８に搭載した液滴吐出ヘッド１００及び液滴吐出ヘッド１００へインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）９３を抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有し、給紙カセット９３あるいは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ９５に排紙する。
【００６１】
印字機構部９１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９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９８には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ(Ｍ）、ブラック(Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッド１００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９８には液滴吐出ヘッド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９９を交換可能に装着している。
【００６２】
インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１００へインクを供給する供給口が設けられ、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液滴吐出ヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッドとしては各色の液滴吐出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個の液出ヘッドでもよい。
【００６３】
ここで、キャリッジ９８は後方側（用紙搬送下流側)を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送上流側)を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９８を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を張装し、このタイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定しており、主走査モーター１０１の正逆回転によりキャリッジ９８が往復駆動される。
【００６４】
一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液滴吐出ヘッド１００に下方側に搬送するために、給紙カセット９３から用紙９２を分離給装する給紙ローラー１０５及びフリクションパッド１０６と、用紙９２を案内するガイド部材１０７と、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラー１０８と、この搬送ローラー１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９及び搬送ローラー１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０とを有する。搬送ローラー１０８は副走査モーター１１９によってギア列を介して回転駆動される。
【００６５】
そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラー１０８から送り出された用紙９２を液滴吐出ヘッド１００の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材１１１を設けている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３を設け、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラー１１４と拍車１１５と排紙経路を形成するガイド部材１１６、１１７とを配設している。
【００６６】
このインクジェット記録装置９０で記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッドを駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後、用紙９２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９２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９２を排紙する。
【００６７】
また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッドの吐出不良を回復するための回復装置１１８を配置している。回復装置１１８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９８は印字待機中にはこの回復装置１１８側に移動されてキャッピン手段で液滴吐出ヘッド１００をキャッピングして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、安定した吐出状態を維持する。
【００６８】
また、吐出不良が発生した場合等には、キャピング手段で液滴吐出ヘッドの吐出出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともの気泡等を吸出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置９０においては本発明の液滴吐出ヘッドを搭載しているので、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。
上記の説明においては、インクジェット記録装置９０に液滴吐出ヘッドを使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッドを適用してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１１  基板
１４  シリコン酸化膜
１４ａ  表面改質層
１５  振動板
１６  下部電極
１７  圧電体膜
１８  上部電極
２０  液滴吐出ヘッド
２１  第一の基板
２２  振動板
２２ａ  表面改質層
２３  共通電極
２４  圧電体膜
２５  個別電極
２６  圧電体素子
２７  層間絶縁膜
２８  接続孔
２９  引き出し配線
３０  パッシベーション膜
３１  共通液滴流路
３２  アクチュエータ部
３３  共通液室
３４  流体抵抗部
３５  加圧液室
４１  第二の基板
４２  液滴供給口
４３  ザグリ
５１  第三の基板
５２  ノズル孔
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特許第４５３０６１５号公報
【特許文献２】特開２００９−８８２９０号公報
【図７】
2014154864.tif 000003
【図１】
2014154864.tif 000004
【図２】
2014154864.tif 000005
【図３】
2014154864.tif 000006
【図４】
2014154864.tif 000007
【図５】
2014154864.tif 000008
【図６】
2014154864.tif 000009
【図８】
2014154864.tif 000010